close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

kozlovindd

код для вставкиСкачать
Федеральное агенТство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный университет
аэрокосмического приборостроения
В. В. Козлов
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ
В ПРИБОРОСТРОЕНИИ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2010
УДК 681.2
ББК 39.56
К59
Рецензенты:
профессор Санкт-Петербургского государственного политехнического
университета, доктор физико-математических наук А. А. Липовский;
старший научный сотрудник Центрального научно-исследовательского
института робототехники и технической кибернетики,
кандидат технических наук В. П. Макарычев
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Козлов В. В.
К59 Проектирование электромеханических модулей в приборостроении : учеб. пособие / В. В. Козлов. – СПб.: ГУАП,
2010. – 88 с.
ISBN 978-5-8088-0514-9
Учебное пособие посвящено проектированию электромеханических модулей в приборостроении. Исследуются особенности системы построения электромеханических модулей и дается теоретическое обоснование типоразмерного ряда элементов, входящих в
состав модуля. В пособии осуществляется теоретическое исследование и выбор математического метода для определения параметров
типоразмерного ряда. Сформулированы рекомендации для состава
системы электромеханических модулей и габаритные показатели
для входящих в модули элементов. Показано использование значений параметров типоразмерного ряда в ходе проработки конструкций электродвигателей и редукторов.
Чтение пособия требует знания разделов математики в объеме
технических высших учебных заведений: дифференциального и
интегрального исчисления, линейной алгебры и др. Предназначено
для студентов, специализирующихся в управлении и проектировании электромеханических модулей в приборостроении.
УДК 681.2
ББК 39.56
ISBN 978-5-8088-0514-9
© ГУАП, 2010
© В. В. Козлов, 2010
Предисловие
В пособии рассматриваются вопросы проектирования электромеханических модулей в приборостроении.
В первом разделе приведен обзор особенностей исследования системы построения электромеханических модулей и типоразмерных
рядов элементов, входящих в состав модулей. Показано, как наиболее полно классифицировать электромеханические устройства
по функциональному назначении, разделив их на четыре группы.
Второй раздел посвящен критериям оптимизации параметрических и типоразмерных рядов. Рассматриваются критерий минимума затрат при разработке, изготовлении и эксплуатации, критерий
минимума затрат с учетом потерь потребителя на адаптацию, критерий максимума среднего экономического выигрыша.
Третий раздел показывает методы решения задач оптимизации
типоразмерных рядов электромеханических модулей. Это оптимизация типоразмерных рядов с помощью вычислительной техники
и упрощенный метод решения задачи оптимизации. Здесь же дано
теоретическое обоснование типоразмерного ряда элементов, входящих в состав модуля.
В четвертом разделе рассматриваются методы конструирования
приборов, которые получили распространение при разработке комплекта конструкторской документации электромеханических узлов
и приборов: геометрический метод, машиностроительный метод,
топологический метод, метод проектирования моноконструкций,
базовый метод конструирования, эвристический метод конструирования, метод автоматизированного конструирования. Базовый метод – основной метод конструирования современных приборов.
Пятый раздел – раздел о методах конструирования электромеханических устройств приборов. Здесь говорится о критериях для
конструирования: назначение приборов, их классификация, условия эксплуатации, технические требования. Прогрессивным методом конструирования малогабаритных механических устройств
является создание ряда универсальных редукторов с гаммой передаточных отношений, получаемых в одном корпусе изменением
набора зубчатых колес
В шестом разделе идет речь о размерной и функциональной взаимозаменяемости. Базовый метод конструирования приборов и их
составных частей невозможен без схемной и конструкторской унификации высокого уровня применения.
3
Взаимозаменяемость нельзя осуществить без использования
основных принципов стандартизации, разновидностями которых
являются ограничение (симплификация), типизация, агрегатирование и унификация.
В седьмом разделе говорится о том, что исходя из функционального назначения все электромеханические модули могут быть подразделены на четыре группы.
Первая группа – электромеханические модули, имеющие на
входе электрический сигнал и на выходе пространственное перемещение. К этой группе следует отнести
– электродвигатели с шестерней на выходном валу;
– электромагнитные муфты.
Вторая группа – электромеханические модули, имеющие на
входе пространственное перемещение и на выходе электрический
сигнал. К этой группе относятся разного рода командные механизмы, переключатели и т. п.
Третья группа – электромеханические модули, имеющие на входе и на выходе пространственные перемещения. К этой группе относятся зубчатые передачи, ограничительные механизмы, соединительные муфты.
Четвертая группа – разного рода установочные элементы, позволяющие механически соединить отдельные части в единое устройство.
В восьмом разделе описывается методика расчета основных размеров магнитной цепи обмотки возбуждения электродвигателя, а
также приводится конструкция ряда электродвигателей.
В девятом разделе рассматривается конструкторская документация на универсальный редуктор, приводится расчет основных
деталей редуктора и угловой погрешности и описывается конструкция универсального редуктора.
В десятом разделе представлена разработка требований к составу и характеристикам специальной технологической оснастки,
определены состав специальной технологической оснастки и даны
характеристики специальной технологической оснастки.
Одиннадцатый раздел посвящен изготовлению необходимой специальной технологической оснастки. Изготовление необходимой
специальной технологической оснастки осуществляется инструментальным производством, которое подразделяется на несколько участков, а именно: заготовительного, режущих инструментов,
мерительной оснастки, штампов, литьевых форм, приспособлений,
кузнечного, сварочного, термического и т. п.
4
В двенадцатом разделе описывается изготовление макетных образцов отдельных узлов электромеханических модулей. Это макетные образцы узлов электродвигателей и макетные образцы корпуса
и блоков шестерен редуктора. В ходе макетирования проверяются
основные положения, использованные при конструировании элементов электромеханических модулей.
Изложение материала ведется на основе опыта разработки, проектирования и изготовления электродвигателей, параметры которых приведены в таблице.
Основные параметры электродвигателей
Параметр
Синхронные
ДСО32
ДСОР32
ДШ32
Шаговые
ДШ25 ДШ21
Напряжение питания, В
12; 27; 40; 110; 220 12; 24 6; 12; 24 6; 12
Частота, Гц
50; 60
–
–
–
Частота приемистости, Гц
–
–
120
200
10
Синхронный вращающий
2,5
250
2,5
3,0
0,4
момент, мН×м, не менее
–1
375
2
–
–
–
Частота вращения, мин
Угловой шаг, град
–
–
22,5
7,5
22,5
Потребляемая мощность, ВА,
1,6
1,6
2,5
1,5
не более
Масса, кг, не более
0,07
0,11
0,07
0,035 0,025
Габариты, мм:
диаметр
31
45
32
25
21
длина
21
56
21
15
13
Автор благодарит В. С. Павловского и Л. П. Глазковскую за помощь в подборе материалов пособия.
5
1. Система электромеханических модулей
Проектирование современных приборов представляет собой достаточно сложную последовательность действий, в ходе выполнения которых необходимо учесть принципы действия устройств,
входящих в эти приборы. Кроме того, должны быть приняты во
внимание также схемы, конструкции и технологии их изготовления.
Без учета всех взаимосвязей между системой, схемой, конструкцией и технологией производства невозможно правильно предусмотреть и организовать процесс конструирования приборов.
Конструкция любого прибора может быть определена как сумма
деталей с различными физическими свойствами и формами, находящимися в определенной взаимосвязи. Характер таких взаимосвязей может иметь различную физическую суть. Например, они
могут быть электрическими, механическими, магнитными, тепловыми и т. п. Эта совокупность обеспечивает выполнение заданных функций с необходимой точностью и надежностью в условиях
внешних воздействий и предусматривает возможность ее повторения в условиях производства [4].
Современные приборы представляют собой сложные системы,
состоящие из большого числа разнообразных деталей, элементов и
узлов. В приборах тесно совмещаются электронные, электромеханические и механические устройства.
Электромеханическая часть приборов состоит из связанных
между собой различных механических и электромеханических
узлов и деталей. Это могут быть: редукторы, мультипликаторы,
соединительные муфты, валы, подшипники, электромагнитные
муфты, электродвигатели, датчики углового положения и т. п.
Электромеханические устройства могут быть распределены на
классы с разных точек зрения. Это связано с тем, что они, как правило, имеют различную структуру, назначение, область применения и т. п.
В основу классификации электромеханических устройств можно положить точность, величину передаваемых усилий, кинематические признаки, эксплуатационные требования, характер внешних воздействий и прочее.
Электромеханические устройства целесообразно классифицировать по функциональному назначении, разделив их на четыре
группы:
6
– преобразователи входного электрического сигнала в пространственное перемещение (электродвигатели, электромагнитные муфты и др.);
– преобразователи пространственного перемещения в электрический сигнал (датчики перемещений, основанные на разных физических принципах);
– преобразователи пространственных перемещений в пространственные перемещения с изменением одного или нескольких параметров (редукторы, дифференциалы, соединительные муфты и
др.);
– преобразователи электрического сигнала одного вида в другой
(трансформаторы, реле, переключатели и др.).
Здесь рассматриваются преобразователи первой и третьей групп,
а также их конструктивные сборки.
При проектировании электромеханических устройств приборов
к ним предъявляются определенные требования. К таким требованиям, в частности, относятся надежность и долговечность, стабильность характеристик во времени, малые масса и габариты в относительных единицах, электрическая прочность, а также невысокая
стоимость разработки, изготовления и эксплуатации.
Эти показатели могут быть обеспечены путем создания конструкций электромеханических устройств, в которых использованы новые материалы, рационально сочетающиеся в деталях и
узлах, применена прогрессивная технология. Последний фактор
имеет особое значение.
Известно, что одним из основных факторов, определяющих экономичность изготовления детали или узла, является их конструкция. Технологичной конструкции соответствует экономичный технологический процесс. Конструкция, изготовление которой в соответствии с требуемыми эксплуатационными качествами может
быть осуществлено методами высокопроизводительной технологии
при минимальной трудоемкости и стоимости производства, считается технологичной конструкцией.
Определенным недостатком электромеханических устройств по
сравнению, например, с электронными является большая длительность их разработки и освоения, которая с момента начала проектирования и до начала серийного производства нередко составляет
несколько лет.
Важнейшим средством сокращения сроков создания, освоения
и производства новых электромеханических устройств и прибо7
ров в целом, а также снижения их себестоимости являются унификация и стандартизация деталей и узлов электромеханических
устройств как элементов типоразмерных (параметрических) рядов и нормализация всего комплекса технологического оборудования.
Унификация – основной метод стандартизации, направленный
на рациональное сокращение номенклатуры создаваемых и используемых объектов и, как следствие, на повышение их серийности и
снижение трудоемкости производства. Унифицированные изделия
имеют более высокое качество. Уменьшение числа типоразмеров
проектируемых и изготовляемых изделий позволяет применить более производительное оборудование, прогрессивную технологию и
рациональную организацию производства, что и обеспечивает снижение затрат.
Основой для разработки унифицированных функциональных
устройств приборов являются типоразмерные (параметрические)
ряды. Типоразмерным рядом является упорядоченная последовательность числовых значений одного или нескольких параметров
изделия. При этом, главные параметры – это основные, определяющие характеристики изделия.
Изделия, характеризуемые одним главным параметром, считаются однопараметрическими, двумя и более – многопараметрическими. Параметрический ряд, который характеризуется упорядоченной последовательностью числовых значений геометрических
размеров изделия, является типоразмерным.
Оптимально выбранные параметрические ряды позволяют при
наименьших общих затратах удовлетворять потребности общества в изделиях, значительно ускорять процесс внедрения новой
техники, сокращать сроки проектирования и изготовления изделий, увеличивать серийность производства и устранять излишнее
многообразие изделий, т.е. повышать эффективность изделий в
целом.
Для разработки унифицированного ряда приборов и, в частности, их узлов типа электромеханических модулей необходимо
иметь совокупность параметров основных типов и размеров, определяющих их функциональную и размерную взаимозаменяемость.
При определении совокупности параметров ряда приборов следует
придерживаться неких критериев, с помощью которых можно обосновать как область возможных решений, так и выбор наилучшего
из них.
8
Контрольные вопросы
1. Дайте определение понятия «конструкция прибора».
2. ��������������������������������������������������������������
Какие взаимосвязи и свойства деталей учитываются при конструировании приборов?
3. Перечислите типовые узлы и детали электромеханических приборов
и устройств.
4. Что понимается под унификацией прибора, изделия?
5. Какие практические цели и вопросы позволяют решить унификация
и стандартизация деталей и узлов?
6. Что такое унифицированный ряд приборов?
7. ��������������������������������������������������������������
Как целесообразно классифицировать электромеханические устройства и на какие группы?
8. ��������������������������������������������������������������
Какие требования предъявляются при проектировании электромеханических устройств?
9. Что является основным методом стандартизации?
10. ������������������������������������������������������������
Что является основой для разработки унифицированных функциональных устройств приборов?
9
2. Критерии оптимизации параметрических
и типоразмерных рядов
Совокупность параметров и размеров приборов и их составных
частей предполагают численные значения стандартизируемых
в целях унификации величин.
В настоящее время, как и ранее, в отраслях промышленности
при разработке приборов и их составных частей применяют отраслевые стандарты на типоразмеры электронных блоков и субблоков
[5]. Унификация ряда электромеханических модулей
практически отсутствует за исключением ГОСТ 27122–86 на
приводы промышленных роботов. Такое положение вызывает
трудности в обеспечении взаимозаменяемости на уровне электромеханических устройств, увеличивает сроки разработки приборов
и повышает стоимость их производства.
Разработка и последующее внедрение унифицированного ряда
должны свести неоправданно большое многообразие типоразмеров электромеханических устройств к ограниченному ряду значений, применяемых при конструировании приборов. Таким образом должен быть достигнут технико-экономический эффект и
сокращена номенклатура типоразмеров электромеханических
устройств за счет унификации. Кроме того, данные мероприятия
приведут к повышению серийности изготовления, повышению
надежности и т. п.
Каждому типоразмеру электромеханического устройства соответствует набор значений параметров, характеризующий данный
типоразмер. Требуется определить такой параметрический ряд
устройств, который был бы оптимальным, т. е. соответствовал бы
выбранному критерию достижения определенной цели.
Одним из критериев оптимизации типоразмерного (параметрического) ряда является определение такой совокупности продукции, при которой потребности в ней удовлетворяются с наименьшими приведенными затратами [6]. Более общим критерием оптимизации является максимум среднего экономического выигрыша
за счет упорядочения производства. Первый критерий не позволяет
оценить, является ли принятое решение наилучшим, в какой степени, и нет ли других решений.
Пусть существует некоторый параметр х, принадлежащий некоторому множеству X(x∈X) [7]. Под параметром х подразумевается одна из параметрических или типоразмерных характеристик
10
электромеханического устройства (мощность, вращающий момент,
габаритные размеры и т. д.). Если известен объем требуемой продукции (спрос), а также то, что по каждому виду продукции даны
ее характеристики, то множеству потребляемой продукции с параметром x∈X соответствует определенная функция потребности
(спроса) типоразмеров W (x, a0, b0, …), характеризующая плотность
некоторого параметра х среди всей совокупности нормализуемых
параметров.
Если опустить параметры а0, b0, … как некие нестандартизуемые, то,
N (x)
W (x) = ;
NΣ
Píó (xk ) =
(2.1)
N (õ)
,
NΣ
(2.2)
где N(x), N(xk) – объем продукции с параметром x Î X (xk Î X );
NΣ – общий объем продукции, производимой или планируемой к
производству с параметрами xк ∈ X; Pну (хк) – функция потребности неупорядоченного производства; k = 0, 1, 2, 3, …
При отсутствии унификации параметров затраты на разработку,
изготовление и эксплуатацию всего количества устройств с параметрами x∈X составят [8]:
Ç(NΣ ) = NΣµ
xmax
ò
C (x)W µ (x)dx, x Î X;
x0
Çïð (NΣ ) =
Ç(NΣ )
NΣ
= NΣµ-1
xmax
ò
x0
C (x)W µ (x)dx = NΣµ-1
xmax
ò
C (x)W (x)dx,
x0
где C(x) = C(x0) + α0 (х0–х) – затраты на разработку, изготовление и
эксплуатацию одного типоразмера с параметром х, C(x0) – затраты
на разработку, изготовление и эксплуатацию одного типоразмера
Ƅ
прототипа с параметром х0, α 0 @
; μ – показатель, определяю∆x
щий влияние серийности на себестоимости продукции; x0, хmax –
начальное и конечное значения параметров, характерных для разработок.
11
При наличии отраслевых стандартов (������������������������
c�����������������������
лучай частично упорядоченного производства) приведенные экономические затраты составят
L
µ
Çïð (NΣ ) = NΣµ-1 å C (xj )P÷ó
(xj )+ Ç÷ó , (2.3)
j
где L – общее число точек параметрического ряда, регламентируемое отраслевыми стандартами; хj – множество значений параметра,
регламентируемых действующими отраслевыми стандартами; Рчу
(xj) – функция спроса частичного упорядоченного производства;
Зчу – затраты на разработку и внедрение отраслевых стандартов.
Приведенные экономические затраты при регламентации типоразмеров для всех потребителей и заказчиков рассчитываются по
вышеприведенному выражению, но число точек параметрического
ряда при этом определяется уже не отраслевым, а государственным
стандартом (случай практически полностью упорядоченного производства).
В рамках программы внедрения разработанного вновь стандарта на унификацию элементной базы приборов путем определения
параметрического ряда государство получает выигрыш, а индивидуальный потребитель (заказчик) может и проиграть [8]. Потери
индивидуального потребителя в этом случае вызваны отличием
рекомендуемых госстандартом точек ряда от требуемых индивидуальному потребителю. Эти потери являются потерями на адаптацию (приспосабливаемость под стандарт) и могут быть описаны
функцией потерь
n
r (x) = å j (x - xj ),
(2.4)
j=1
где j (x – xj), функция, описывающая экономические потери индивидуального потребителя в окрестности параметра хj∈X, регламентированного стандартом.
Средние приведенные экономические потери для индивидуального потребителя за счет внедрения стандарта можно записать в виде
ÏΣ =
Ï(NΣ )
NΣ
xmax
ò
x
n
r (x)W (x)dx = å
yj
ò j(x - xj )W (x)dx,
j=1 yj-1
0
где уj–1; yj – координаты границ окрестности параметра xj.
12
(2.5)
Знание приведенных экономических затрат до упорядочения
производства электромеханических устройств, после упорядочения производства (2.3) и функции потерь (2.5) позволит принимать
решения о сути стандарта параметров по любому из упомянутых
критериев. Рассмотрим особенности постановки задачи на оптимизацию по каждому критерию.
2.1. Критерий минимума затрат при разработке,
изготовлении и эксплуатации
В этом случае задача выбора оптимального параметрического
ряда типоразмеров состоит в отыскании таких значений x* параметров x ∈ X, для которых целевая функция (функция суммарных
затрат на удовлетворение заданного спроса типоразмеров (2.4) принимает наименьшее значение
Зст[NΣ (x1*, x2*, …, xn*)] → min,
(2.6)
при обязательном выполнении следующих ограничений: спрос на
типоразмеры каждого вида должен быть удовлетворен полностью;
известен объем производства изделий каждого типоразмера, начальное и конечное значение типоразмеров х0 и хк.
Решение этой задачи в общем случае связано со значительными трудностями вычислительного характера. Алгоритмы решения
для случая, когда функция затрат (ее составляющие) cчитается
возрастающей и вогнутой относительно объема производства, разработаны [ 6].
Недостатком этой методики является, во-первых, не столько
трудности вычислительного характера, сколько то, что данная методика не дает ответа на вопрос, является ли полученное решение
глобальным минимумом или только локальным, и во-вторых, решение не учитывает потери, которые может нести индивидуальный потребитель за счет унификации параметров и сокращения
числа типоразмеров.
2.2. Критерий минимума затрат
с учетом потерь потребителя на адаптацию
В данном случае задача выбора оптимального параметрического
ряда состоит в отыскании таких значений x* параметров х ∈ Х, для
13
которых целевая функция, образуемая затратами на удовлетворение спроса стандартными изделиями, с учетом возможных потерь
(2.5) на адаптацию индивидуального потребителя под требования
стандарта минимальна:
Зст[NΣ (x1*, x2*, …, xn*)] + П [NΣ (x1*, x2*, …, xn*)] → min,
x ∈ X
(2.7)
при тех же ограничениях, которые были приведены выше. Данный
критерий является более общим, чем предыдущий. Вычислительные трудности те же. При некоторых ограничениях, наложенных
на функции спроса, потерь и затрат, можно получить решение в
явной форме [7]. Недостатком целевой функции (2.7), как и предыдущей, является то, что она не позволяет дать оценку вероятного проигрыша относительно оптимального решения, если в силу
ряда конструктивных, технологических и других ограничений будет принят параметрический ряд, отличающийся от оптимального числом членов и положением их на числовой оси (например, за
счет согласования и увязки с рядом предпочтительных чисел или
международными стандартами).
2.3. Критерий максимума
среднего экономического выигрыша
Средний экономический выигрыш от внедрения стандарта
определяется разностью между функцией, описывающей затраты
на разработку, изготовление и эксплуатацию необходимого числа
типоразмеров в случаях неупорядоченного или частично упорядоченного производства (2.3), и функцией, описывающей затраты на
производство того же числа типоразмеров NΣ при наличии стандарта c учетом функции потерь на адаптацию (2.5):
∆(хj, yj, y j–1) = З(NΣ) – Зст[(xj, yj, yj–1)NΣ] –
n
-NΣ å
yj
ò
yj-1 yj-1
j(x – xj ) W (x)dx ® max, x Î X. (2.8)
В относительном виде это уравнение может быть записано в следующем виде:
14
∆ îòí =
∆ (xj , yj , yj-1 )
Ç (N ) Ï(NΣ )
= 1 - ñò Σ ® max, x Î X. (2.9)
Ç(NΣ )
Ç(NΣ )
Ç(NΣ )
где уj–1; yj – координаты границ окрестности параметра xj.
Функция (2.8) зависит от суммы k + 1 переменных х0, х1, …,
хk. Максимум среднего экономического выигрыша благодаря внедрению стандартных параметров можно получить, если значения
параметрического ряда будут соответствовать тем значениям xj*× 
×(j = 0, 1, 2, ..., k), которые обращают функцию в максимум при начальном х0 и конечном хk членах параметрического ряда, определяемых конструктивными, технологическими и эксплуатационными ограничениями. Размерная взаимозаменяемость ограничивается еще и тем, что члены ряда, определяющие некоторые геометрические размеры устройств, должны образовать определенную
закономерность: каждый последующий член ряда должен быть
суммой двух (или более) предыдущих членов ряда, т. е. Vn + 1 =
= Vn + Vn–1.
Cоставим систему уравнений, каждое из которых определяет
максимум функции (2.8) по одной из переменных x, и решим эту
систему при известных начальных значениях x0 = A0 и xk = B0:
üï
d
∆( A0 , x1, x2 , ..., B0 ) = 0; ïï
ïï
dx1
ïï
ï
d
∆( A0 , x1, x2 , ..., B0 ) = 0; ïý ïï
dx2
ïï
d
ï
∆( A0 , x1, x2 , ..., B0 ) = 0;ïï
ïïþ
dxk-1
(2.10)
Для краткости запишем систему в виде
d
∆( A0 , x1, x2 , ..., B0 ) = 0. dxj
(2.11)
j = (1, 2, …, k – 1)
При З(NΣ) = const����������������������������������������������
данный критерий совпадает с (2.7), т. е. числа ряда, полученные по каждому из этих критериев, одни и те же.
Однако критерий по (2.8), (2.9) дает возможность оценить эффективность внедрения стандарта, а также степень проигрыша в том
случае, если параметрический ряд отличается от оптимального.
В последующем этот критерий оптимизации будем иметь в виду.
15
Численные значения параметров xj*∈X, которые получены при
решении системы уравнений (2.10), являются оптимальными. При
этих значениях средний выигрыш от внедрения стандартного ряда
параметров будет максимален, что и является основной целью при
конструировании и производстве электромеханических устройств
как узлов приборов.
Из курса высшей математики известно, что для того чтобы избежать попадания в минимум, когда производная также равна нулю,
следует взять вторую производную. Точки, в которых вторая производная отрицательна, при подстановке ранее полученных значений ряда xj*, соответствуют максимуму функции.
После подстановки в (2.10) выражений (2.3)–(2.8), дифференцирования и интегрирования получаем систему уравнений.
Общее решение такой системы уравнений, каждое из которых относится к трансцендентным, в аналитической форме отсутствует.
В случае, когда функция потребности задана в виде равномерного распределения, а функции стоимости и потерь линейны, задача
решается в явной форме обычными методами.
Таким образом, критерий максимального среднего экономического выигрыша может быть использован для построения типоразмерного ряда, если известны следующие исходные данные:
– функция спроса (потребности) типоразмеров W (x, A0, B0, …)
c параметром стандартизации x в дискретном или в непрерывном
виде;
– функция затрат (стоимости) на типоразмеры с определенными
характеристиками C (x, A0, B0, …);
– функция потерь j(x–xj), описывающая потери на адаптацию в
стоимостном;
(денежном) выражении, которые несет потребитель, если значение типоразмера после процесса стандартизации отличается от
того, которое было ранее.
Контрольные вопросы
1. Что такое типоразмерный ряд?
2. Какие критерии типоразмерных рядов существуют?
3. Что означает критерий максимума среднего экономического выигрыша?
16
3. Методы решения задач оптимизации типоразмерных рядов электромеханических модулей
3.1. Оптимизация типоразмерных рядов
с помощью вычислительной техники
Как уже отмечалось, система трансцендентных уравнений,
определяющая значения типоразмеров, оптимальных по критерию
максимума выигрыша, имеет аналитическое решение лишь в отдельных частных случаях. Общие методы решения такой системы
уравнений не известны. Поэтому, с учетом современного развития
вычислительной техники, в этом случае возможно эффективное
применение численных методов.
Для численного решения систем нелинейных алгебраических
уравнений применяют разные методы: простой итерации, Ньютона,
спуска [9]. Однако не существует ни одного универсального алгоритма решения задачи в случае большого числа переменных. При решении задач приходится заниматься теоретической и экспериментальной «доводкой» методов применительно к конкретной задаче.
Сведение одной задачи к другой производится на практике для
снижения трудоемкости нахождения решения. Задаваясь начальным приближением к точке оптимума проводят итерации какимлибо из методов спуска и таким путем получают удовлетворительное приближение к решению системы. Исходя из этого приближения, производят уточнения при помощи какого-либо специфичного
итерационного метода, например метода Ньютона. Применение методов спуска на первоначальном этапе объясняется тем, что обычно
они имеют более широкую область сходимости, в то же время специфические методы обычно обладают лучшей скоростью сходимости
при наличии достаточно хорошего начального приближения. Это и
обуславливает их применение на заключительном этапе итераций.
Систему уравнений для использования критерия максимума среднего экономического выигрыша в общем виде можно записать так:
üï
ïï
ïï
f ( x1, x2 , x3 ) = 0
ïý, ïï
¼¼¼¼¼¼¼¼
ï
f (xm–2 , xm–1, xm ) = 0 ïïïþ
где x0 = A0, xm = B0 – начальные условия.
f ( x0 , x1, x2 ) = 0
(3.1)
17
При составлении данной системы уравнений предполагалось,
что каждое из уравнений зависит только от значений трех соседних
корней xj–1, xj, xj + 1 при j = 1, 2, 3, …
Для сокращения формы записи представим систему уравнений
в виде
f(xj–1, xj, xj + 1) = 0, j = 1, 2, 3, …
Число уравнений в системе (3.1) определяется числом членов
типоразмерного ряда, исключая первый (x0 = A0) и последний
(xm = B0), которые считаются заданными.
В общем случае систему уравнений можно решить, используя
вычислительную технику, применив стандартные программы,
следующим численным методом. Задаваясь различными значениями шага c1 = x1– x0, c2 = x2– x0, … , методом последовательного исключения неизвестных xm получаем с учетом локальных
максимумов различные варианты решений. Далее необходимо
выбрать такой вариант решений, при котором экономический
выигрыш будет максимальным. В этом случае число корней системы и значения корней, соответствующие максимуму экономического выигрыша или минимуму суммарных затрат, будут определять параметрический ряд. Для этого полученные численным
методом значения различных вариантов подставляются в выражение (2.8), определяющее максимум среднего экономического
выигрыша:
max∆{ xk } = max { Ç(NΣ ) - Çñò [( xj¢ , yj¢-1, yj¢ ) NΣ ] n
-NΣ å
yj
ò j(x - xj¢ )W (x)dx}.
j=1 yj-1
Из полученных решений выбирается то, которое дает наибольшее значение экономического выигрыша.
В соответствии с алгоритмом расчета при последовательном исключении известных xk дальнейший счет прекращается, когда
значение корня xk больше значения B0. В этом случае система уравнений (3.1) имеет порядок m – 1.
Более подробно алгоритм решения рассматриваемой задачи состоит в следующем.
Функцию спроса W(x) при решении системы уравнений представим в виде полинома n-й степени
18
n
W (x) = å àj x j , (3.2)
j=0
где аj –коэффициенты аппроксимации. Степень n полинома определяется величиной относительной погрешности при заданной точности решения ε.
В виде полиномов также можно записать систему алгебраических уравнений при представлении j(x– xi) и C(x). Функция стоимости при этом представляет полином C(x) = Axm + B. Таким образом, исходная система уравнений представляется в алгебраической форме относительно искомых корней и решается методом последовательного исключения неизвестных. Используя этот метод
на каждом шаге, решается каждое из уравнений системы методом
Мюллера [10]. Этот метод выбран по следующим причинам: из имеющихся численных методов решения алгебраических уравнений
высоких степеней метод Мюллера является наиболее экономичным
по производительности для вычислительной техники, не требует
вычисления производных n- го порядка, алгоритм стандартный,
есть программа решений алгебраических уравнений n-й степени.
Давая обобщенную оценку описанному выше методу, следует
все-таки оценить его как сложный и громоздкий, так как необходимо предварительно определить коэффициенты аппроксимирующих полиномов при переходе от трансцендентной системы уравнений к алгебраической форме и, кроме того, определение корней системы происходит при существенных затратах машинного времени
вычислительной техники.
Несмотря на то, что современные вычислительные методы позволяют быстро и с большой точностью решить систему трансцендентных уравнений, возможность записать общее решение такой
системы в замкнутом виде имеет во многих случаях значительные
преимущества. В связи с этим появляется задача упростить исходную систему трансцендентных уравнений с тем, чтобы получить
более простые зависимости и, следовательно, уменьшить объем вычислительных работ.
Пусть известна информация об исходных данных функции потерь. Тогда по виду исходной информации определяется класс типоразмерных рядов, в котором следует искать оптимальное решение системы. В этом случае неизвестной является лишь одна переменная, например разность арифметической или знаменатель геометрической прогрессий.
19
3.2. Упрощенный метод решения задачи оптимизации
Один из путей сокращения времени вычислений состоит в том,
что класс типоразмерного ряда, члены которого минимизируют затраты или максимизируют выигрыш, определяется по виду функции спроса, а также по виду функции потерь на адаптацию и стоимость. Далее используются стандартные программы для определения численных значений ряда средствами вычислительной техники.
Пусть исходная система уравнений записана для случая, когда
функция потерь симметрична, т. е. при
j(yi-1 - xi-1 ) = j (yi-1 - xi );
j(yi - xi ) = j(yi - xi+1 );
yi =
yi - xi =
xi + xi+1
x + xi
; yi-1 = i-1
;
2
2
xi+1 - xi
x - xi
; yi-1 - xi = i-1
;
2
2
x - xi-1
dyi 1 dyi-1 1
= ;
= ; yi - yi-1 = i+1
;
dxi 2 dxi
2
2
Система уравнений будет иметь вид
yi
ò
yi-1
1
j ¢(x - xi )W (x)dx = W (yi-1 )[C(xi ) - C(xi-1 ]) +
2
(3.3)
1
+ W (yi ) ëé C(xi+1 ) - C(xi )ûù - C ¢(xi )[F (yi ) - F (yi-1 ) ],
2
где
F (yi )- F (yi-1 ) =
yi
ò
yi-1
æ x - xi-1 ö÷
W (x)dx @ W (xi )(yi - yi-1 ) = W (xi )çç i+1
÷.
çè
2
ø÷
При представлении функции стоимости кусочно-ломаной (линейной) зависимостью, интегрирования по частям и замены интегралов получают окончательную систему уравнений
20
æ x - xi ö÷
æ
ö
ç xi-1 - xi ÷÷W (xi-1 ) =
j çç i+1
÷ø÷W (xi )- j èçç
ø÷
2
2
èç
2
é
2ù êæ xi+1 - x i ÷÷ö æç xi - xi-1 ö÷ ú
= C ¢(xi )W (xi )êççç
÷
ú
÷÷ èçç
ø÷ ú
2
2
êçè
ø
ëê
ûú
(3.4)
при i = 1, 2, 3, …
Анализ системы уравнений (3.4) позволяет сделать следующий
вывод. При функции спроса равномерного типа
W (x) =
1
, A0 < x < B0
A0 - B0
и при любой функции стоимости и симметричной функции потерь
оптимальным типоразмерным рядом, удовлетворяющим максимальному выигрышу и условию обеспечения размерной взаимозаменяемости, является арифметическая прогрессия
xi+1 = x0 + (i + 1)d,
где d – разность арифметической прогрессии.
Действительно, при этих условиях соотношение (3.4) принимает вид
æd ö
æd ö
j çç i ÷÷÷ = j çç i+1 ÷÷÷, i = 1, 2, 3, …,
èç 2 ø
èç 2 ø
(3.5)
где di = xi - xi-1.
Условие (3.4) будет выполняться, если члены ряда x1, x2, x3, …,
B0 являются членами арифметической прогрессии, так как это
условие есть условие периодичности функции.
В качестве другого примера использования предлагаемого метода может быть рассмотрен случай, когда функция потерь на адаптацию имеет вид
j (x - xi ) = a
xi+1 - xi
2
n
n
=a
di+1
,
2
то выражение (3.4) можно представить так
21
æ d ön
æ d ö2
W (xi )açç i+1 ÷÷÷ - Ñ ¢(xi )W ¢(xi )çç i+1 ÷÷÷ =
èç 2 ø
èç 2 ø
æ d ön
æ d ö2
= W (xi-1 )açç i ÷÷÷ - C ¢ (xi )W (xi )çç i ÷÷÷ ,
èç 2 ø
èç 2 ø
(3.6)
i = 1, 2, 3, …
Ранее отмечено, что функция стоимости имеет линейный характер, и следовательно, при Ñ ¢(xi ) @ b выражение (3.6) может быть
записано в виде
2-n ù
æ di+1 ö÷n éê
b W ¢(xi )çæ di+1 ÷ö
ú
ç
W (xi )ç
÷ a 1÷
ç
ú=
çè 2 ø÷ êê
ç
÷
a W (xi ) è 2 ø
úû
ë
2-n ù
æ d ön é
b W ¢ (xi ) æç di ö÷
ú
= W (xi-1 )çç i ÷÷÷ a êê1 ÷
ç
ú,
çè 2 ø ê
a W (xi-1 )çè 2 ÷ø
ú
ë
û
i = 1, 2, 3, …
Пусть
2-n
b W ¢(xi ) æç di ö÷
<< 1.
çç ÷÷
a W (xi-1 )è 2 ø
Тогда, пренебрегая вторым слагаемым в силу его малости,
имеем
æ d ön
= ççç i ÷÷÷ = η0 . W (xi-1 ) çè di+1 ÷ø
W (xi )
(3.7)
Из выражения (3.7) ����������������������������������������
c���������������������������������������
ледует, что если отношение значений линейной функции спроса в любых двух точках – величина постоянная, а функция стоимости – линейная, то при четной функции потерь разность двух любых соседних членов оптимального типоразмерного ряда подчиняется свойствам геометрической прогрессии
xi+1 - xi = q (xi - xi-1 ), где q =
1
(3.8)
– знаменатель геометрической прогрессии.
η0
Если функция спроса носит линейный характер, то W(x) = ax,
A0<x< B0 и
22
n
æ d ö÷n
xi
=
= çç i ÷÷ = η0 ,
W (xi-1 ) xi-1 ççè di+1 ø÷
W (xi )
где η0 определяется разностью двух соседних членов оптимального типоразмерного ряда для функции спроса линейного типа и
функционально связан со знаменателем геометрической прогрессии (3.8), определяющей положение членов типоразмерного ряда.
В более общем виде функцию спроса возможно аппроксимировать полиномом второй степени
2
æ
bö
W (x) = a - bx + cx2 = D0 + cççx - ÷÷÷ ,
çè
2c ø
A0 < x < B0 ,
b
b2
b
b2
b2
где A0 = - ac; B0 = +
- ac; D0 = a - .
2
4
2
4
4c
В области значений х, удовлетворяющих условию
0< x-
2
æ
D
b
bö
< 0,3 0 , когда D0 >> cççx - ÷÷÷ ,
çè
2c
c
2c ø
члены типоразмерного ряда подчиняются свойствам арифметической прогрессии с разностью
di+1 = di = di-1 = ... = d0 .
В области значений, где первая производная изменяется незначительно, что соответствует аппроксимации функции спроса в этой
области значений переменной линейной или кусочно-линейной зависимостью
æ d ö÷n
ç
= çç i+1 ÷÷ @ η0 ,
W (xi-1 ) ççè di ÷÷ø
W (xi )
æ
bö
где η0 = W ¢(x - C3 )(C1 - C3 )= 2cçççC3 - ÷÷÷(C1 - C3 ).
è
2c ø
Отсюда знаменатель геометрической прогрессии на аппроксимируемом участке
1
1
q=
=
.
nη
æ
b ö÷
0
ç
n 2cçC3 ÷(C1 – C3 )
çè
2c ÷ø
23
На практике достаточна аппроксимация функции спроса, описываемой полиномом, определяющим две области решения: в области максимума – члены типоразмерного ряда подчиняются свойствам арифметической прогрессии, а за ее пределами – геометрической прогрессии.
Контрольные вопросы
1. Какие методы применяют для численного решения систем алгебраических уравнений?
2. В чем заключается упрощенный метод решения задачи оптимизации?
24
4. Методы конструирования приборов
В этом разделе рассматриваются методы конструирования приборов, которые получили распространение при разработке комплекта конструкторской документации электромеханических
узлов и приборов.
4.1. Геометрический метод
В основу метода положена структура геометрических и кинематических связей между деталями, представляющая собой систему
опорных точек, число которых и их размещение зависит от заданных степеней свободы и геометрических свойств [2].
Метод целесообразно применять для конструкций приборов,
в которых должно соблюдаться точное взаимное положение деталей или обеспечиваться их точное перемещение при деформациях,
значительно меньших погрешностей изготовления деталей. Если
необходимо исключить внутренние напряжения от взаимного неподвижного закрепления одной детали относительно другой, следует также использовать этот метод. Этот метод является основным
средством решения задачи во всех случаях, когда от конструкции
прибора требуется высокая точность взаимного перемещения деталей или длительное и точное сохранение определенных параметров, зависящих от расположения деталей. Одной из основных особенностей геометрического метода является то, что при нем характер взаимосвязи двух деталей почти не зависит от погрешности их
изготовления. Свойства, которыми обладают конструкции, созданные по рассматриваемому методу, очень важны в массовом производстве, основанном на применении взаимозаменяемых деталей.
4.2. Машиностроительный метод
В основу этого метода положена структура геометрических и
кинематических связей между деталями, представляющая собой
систему опорных поверхностей, число и размещение которых выбирается исходя из критерия наименьшей массы и допустимой
прочности конструкции. Этот метод целесообразно применять для
конструкций с относительно большими деформациями. Для устра25
нений этих деформаций, при одновременном уменьшении массы
прибора, в конструкцию вводят (в отличие от геометрического метода) дополнительные опорные точки и поверхности.
Точность взаимного расположения и перемещения элементов
конструкции обеспечивается высокой точностью их изготовления.
Однако машиностроительный метод не отрицает геометрической
определенности соединения. Более того, теория механизмов
базируется на основном принципе числа степеней свободы твердого тела, а классификация кинематических пар дается с точки
зрения возможных относительных движений звеньев, входящих
своими элементами в пару.
Рассматриваемый метод применяется при проектировании несущих конструкций, а также различных механических и электромеханических устройств прибора. При этом методе проектирования прибора в деталях после их изготовления и сборки могут возникнуть большие механические напряжения, часто совершенно не
соответствующие реакции действующих сил. Однако возможность
обеспечения механической прочности при минимальной массе,
простоте конструкции и высокой экономичности делают применение этого метода для проектирования механических и электромеханических устройств приборов эффективнее рассмотренного
выше геометрического.
4. 3. Топологический метод
Структура связей между электронными или электромеханическими элементами положена в основу топологического метода.
Этот метод используется в том случае, когда ранее описанные геометрический и машиностроительный методы нельзя применять.
Топологический метод возможно применить для выявления структуры любых связей, однако содержание его становится конкретным лишь в том случае, где связность элементов может быть сопоставлена с графом. Под графом в общем случае понимается здесь
графическое выражение структуры связей между элементами конструкции.
Основные черты топологического метода конструирования таковы:
– сопоставление связности элементов электрической схемы и деталей конструкции с графом;
26
– изоморфизм графов, т. е. свойство эквивалентности строения
независимо от различия в геометрическом образе, которое позволяет получить множество преобразований графа, среди которых конструктору удается найти решение совершенно непохожее на свой
прототип;
– использование свойств графов для размещения элементов
и ориентации их в пространстве, для трассировки линий связи и
средств их соединения с элементами.
4.4. Метод проектирования моноконструкций
Метод основан на максимально допустимом уменьшении числа
связей в конструкции прибора. Он применяется для создания различных узлов приборов на оригинальной несущей конструкции в
виде моноузла с оригинальными узлами и элементами [3].
До последнего времени конструирование приборов ведется с использованием принципа моноконструкций применительно к частным конкретным требованиям, предъявляемым к узлу или прибору.
Разработка моноконструкций вызывает многочисленные трудности и имеет ряд недостатков, таких как значительное время конструирования и внедрения в серийное производство, ограничения в
типизации и унификации, недостаточно высокий уровень надежности, низкая ремонтопригодность, сложность внесения изменений в
конструкторскую документацию без переработки конструкции, и
наконец, значительная стоимость разработки и изготовления.
4.5. Базовый метод конструирования
Деление прибора на конструктивно и схемно законченные части – это основа базового метода.
Базовый метод имеет несколько разновидностей:
– функционально-модульный;
– функционально-узловой;
– функционально-блочный.
Все перечисленные разновидности метода основываются на
принципах агрегатирования, функциональной и размерной взаимозаменяемости, схемной и конструкторской унификации. Деле27
ние базового метода на несколько разновидностей связано с ограничениями схемной и конструкторской унификации устройств
различных структурных уровней.
Базовый метод – это основной метод конструирования современных приборов. Преимущество этого метода на этапе разработки по сравнению с методом моноконструкций – возможность одновременной работы над многими узлами, что сокращает сроки проведения разработок, упрощает отладку и сопряжение узлов, так
как работа любого узла определяется работой известных модулей,
резко упрощается конструирование и макетирование; сокращается объем вновь разрабатываемой конструкторской документации,
появляется возможность непрерывно совершенствовать приборы
без коренных изменений конструкции; упрощается и ускоряется
внесение изменений в схему, конструкцию и конструкторскую документацию.
На этапе производства преимущества базового метода конструирования позволяют сократить сроки освоения серийного производства приборов, упростить сборку, монтаж, снизить требования к
квалификации сборщиков и монтажников (так называемая «отверточная « сборка), снизить стоимость приборов, применяя широкую
механизацию и автоматизацию производства, повысить степень
специализации производства.
На этапе эксплуатации приборов, сконструированных с применением базового метода, повышается их эксплуатационная надежность и улучшается ремонтопригодность.
4.6. Эвристический метод конструирования
Эвристический метод использует обобщенный практический
опыт в области конструирования приборов и в других смежных отраслях. Этот метод до сих пор еще является основным в практической деятельности конструкторов.
Эвристический метод конструирования является основой и составляющей частью других методов конструирования, представленных в данной главе.
Использование современных вычислительных алгоритмов и математических методов, новых компьютеризированных систем и пакетов прикладных программ полностью не заменят опыт и знания
специалиста-конструктора.
28
4.7. Метод автоматизированного конструирования
Автоматизированное конструирование основано на использовании средств современной вычислительной техники для решения
задач компоновки двигателей и узлов и выпуска конструкторской
документации. Большое разнообразие задач автоматизированного
конструирования потребовало разработки алгоритмов для решения однотипных задач, отличающихся точностью, малым временем выполнения, удобным представлением информации и т. п.
Несмотря на различие автоматизированных методов конструирования приборов следует выделить самостоятельные этапы, свойственные каждому из них:
– введение исходной информации, как правило, в « диалоговом
режиме» и проверка ее;
– компоновка функциональной структуры прибора на основе
выбранных показателей качества, т. е. распределение множества
функциональных модулей и элементов на подмножества, соответствующие конкретным устройствам различных структурных уровней;
– размещение скомпонованных функциональных модулей и
элементов по конструкциям устройств всех уровней, составление
соответствующего конструкторского документа;
– составление сводных вторичных текстовых документов, ведомостей, спецификаций, покупных изделий и других, устанавливаемых ЕСКД.
Для автоматизированного метода конструирования, так же как
и для базового, требуется высокий уровень схемной и конструкторской унификации, так как повторяющиеся элементы схемы и
детали конструкции упрощают разработку алгоритмов для вычислительной техники.
Контрольные вопросы
1. Какие методы конструирования приборов существуют?
2. Что такое метод проектирования моноконструкций?
3. Что такое базовый метод конструирования?
4. Что такое метод автоматизированного конструирования?
29
5. Методы конструирования
электромеханических устройств приборов
5.1. Назначение
В настоящее время расширение функциональных возможностей
сервисных устройств в современном автомобилестроении и в приборах учета и контроля энергоносителей стало общей тенденцией в
их разработках.
Очевидно, что без дальнейшего усложнения приборных систем,
входящих в состав таких устройств, решить эту задачу невозможно.
Системы информационного типа обеспечивают математическую
обработку и преобразование формы передаваемой информации зачастую сохраняя вид энергии. Для этих целей в большинстве случаев используют электронные устройства.
В то же время другие узлы систем предназначаются для преобразования вида энергии, для того чтобы получить на выходе перемещение того или иного элемента сервисного устройства.
В этом случае электрическая энергия преобразуется в механическую с помощью электромеханического модуля.
В зависимости от функционального назначения прибора, от заложенного при проектировании конструкторского решения в состав могут входить электронные и электромеханические устройства в существенно разных пропорциях.
5.2. Классификация
Для выработки четких критериев, с помощью которых можно
сформулировать требования к составу и характеристикам электромеханических устройств, необходимо классифицировать их. Выполнить это возможно с разных точек зрения.
Удобным классифицирующим признаком является вращающий момент на выходном валу электродвигателя и коррелируемые
с этим признаком массово-габаритные показатели электромеханического модуля.
Необходимо отметить, что конструирование как электромеханических, так и электронных устройств для приборов представляет собой единый процесс.
30
Поэтому при разработке современных приборов должен применяться базовый метод проектирования для всех составных частей
прибора с учетом особенностей конструирования механических
и электромеханических устройств, назначения этих устройств и
условий их эксплуатации.
5.3. Условия эксплуатации
Условия эксплуатации электромеханических модулей определены требованиями, сформулированными в техническом задании
на выполняемую работу, и характерны для условий эксплуатации
автомобильной техники. Применение приборов в системах контроля и учета энергоносителей носит, как правило, более щадящий характер, чем в первом случае.
Температура окружающей среды приборов может изменяться
от –60 до + 70 °С, а иногда и в еще более широких пределах. Изменение температуры окружающей среды может явиться причиной
появления погрешностей в работе электромеханических устройств
и приводит к изменению линейных размеров деталей, возникновению значительных напряжений, вызывающих деформацию деталей, изменению физических свойств материалов, например активного сопротивления обмотки, магнитных свойств и т. д.
Влажность воздуха вызывает ускоренную коррозию деталей
электромеханических устройств, набухание и вздутие гигроскопичных материалов с последующим растрескиванием их при высыхании. Проникновение влаги непосредственно или в виде конденсата из воздуха резко снижает электрическую прочность изоляции.
Вибрации и удары при эксплуатации приборов сокращают срок
службы электромеханических устройств и могут вызвать появление погрешностей и неисправностей в их работе.
За единицу измерения действующих механических перегрузок,
в том числе и перегрузок, возникающих от вибраций, принимается
ускорение свободного падения g. В случае синусоидальных вибраций величину перегрузки можно вычислить по формуле
j=
4π2 f 2
f2 A
A или j »
,
9810
250
где A – амплитуда смещения, мм; f – частота вибраций, Гц; j – ускорение свободно го падения, g.
31
Величину перегрузки при действии прямоугольного ударного
импульса можно вычислить по формуле
jmax = ω02 ξmax ,
где ω0 – собственная круговая частота прибора; ξmax – максимальное перемещение прибора при действии ударного импульса.
Максимальное перемещение прибора при действии ударного
импульса зависит от относительной длительности удара:
при «длительном» ударе, когда τ ³ π / ω0 ,
ξmax =
2j
ω02
;
при «коротком» ударе, когда τ << π / ω0 ,
ξmax =
j
ω02
2(1 - cos ω0 τ ),
где τ – длительность импульса; j – действующее на прибор внешнее
ускорение при ударном импульсе.
Кроме перечисленных внешних факторов, определяющих условия эксплуатации, важным требованием является условие сохранять заданные характеристики как во время хранения, так и в течение всего заданного срока эксплуатации, т. е. обладать необходимой надежностью (сохраняемостью).
5.4. Технические требования
При проектировании электромеханических устройств приборов
к ним должны предъявляться определенные технические требования. Этими общими требованиями являются надежность и долговечность, определенный вид заданной характеристики, определенные динамические характеристики (для шагового двигателя это –
частота приемистости), стабильность характеристик во времени,
стойкость к действию дестабилизирующих факторов (температура,
влажность, вибрации, удары и т. д.), взаимозаменяемость, малые
массо-габаритные показатели, электрическая прочность, химическая стойкость, единство в методах конструирования с другими частями устройства, относительно невысокая стоимость разработки,
изготовления и эксплуатации.
32
Выполнение перечисленных технических требований при конструировании электромеханических устройств дает возможность
создавать качественные и эффективные современные приборы.
Важнейшими техническими показателями электромеханического устройства являются точность, чувствительность, надежность, разумная долговечность и технологичность.
Поскольку электронная часть приборов, как правило, имеет
длительный срок службы без проведения ремонта и обслуживания, а также требует ограниченную мощность первичных источников питания, то и электромеханические устройства должны в
процессе эксплуатации сохранять свои технические параметры,
не ремонтироваться в течение всего гарантийного срока эксплуатации прибора.
5.5. Методы конструирования
Ряд технических задач в приборах не может быть решен с помощью применения только электроники. К таким приборам относятся электромеханические устройства повышенной точности,
от которых требуется высокая надежность работы на протяжении
длительного времени.
Выше уже указывалось на то, что до последнего времени основным методом конструирования электромеханических устройств
был метод разработки моноконструкций в зависимости от индивидуальных требований к проектируемому прибору. В этом случае
на основе единого корпуса оригинальной формы и размеров создавалось электромеханическое устройство, для которого ремонт и
профилактическое обслуживание в процессе эксплуатации были
чрезмерно затруднены необходимостью демонтажа соседних элементов.
В настоящее время разрабатываются сложные приборы, в которых применяют высокоточные электромеханические устройства,
характеризуемые высокими показателями надежности в условиях
различной среды, механических воздействий и длительного срока
хранения и эксплуатации.
В условиях, когда требуется обеспечить миниатюризацию, налагаются жесткие ограничения на габариты, массу и энергопотребление. Это заставляет разработчиков применять принципиально новые элементы и устройства, неотработанные и недостаточно
33
проверенные. В процессе отработки и испытаний приборов схемы
узлов часто меняются и дорабатываются. В связи с этим применение метода конструирования электромеханических устройств со
сложной кинематической схемой на базе единого оригинального
корпуса, т. е. метода создания моноконструкций, становится уже
нецелесообразным, так как даже небольшое изменение кинематической схемы, как правило, приводит к полной переработке всего
устройства.
Кроме того, цикл разработки и изготовления электромеханических устройств более трудоемкий и длительный, чем для электронных устройств, что при конструировании электромеханических
устройств методом моноконструкций отрицательно сказывается на
качестве и общих сроках разработки и внедрения в серийное производство новых приборов.
Прогрессивным методом конструирования малогабаритных механических устройств является создание ряда универсальных редукторов с гаммой передаточных отношений, получаемых в одном
корпусе изменением набора зубчатых колес. По возможности целесообразно проектировать редукторы с центральным выходным
валом и радиальным расположением осей шестерен и зубчатых
колес, что упрощает изготовление и снижает погрешности таких
редукторов.
Контрольные вопросы
1. Что является удобным классифицирующим признаком при конструировании электромеханических устройств?
2. Что входит в условия эксплуатации электромеханических устройств?
3. Какие технические требования предъявляются при проектировании
электромеханических устройств?
34
6. Размерная и функциональная
взаимозаменяемость
Базовый метод конструирования приборов и их составных частей
невозможен без схемной и конструкторской унификации высокого
уровня применения. Взаимозаменяемость нельзя осуществить без
использования основных принципов стандартизации, разновидностями которых являются ограничение (симплификация), типизация, агрегатирование и унификация.
6.1. Метод ограничения
Применение метода ограничения сохраняет определенный ряд
существующих объектов, но при этом резко сокращает общее число типов. При этом объектами ограничения могут быть не только
стандартные, но и нестандартные изделия. Частным случаем применения рассматриваемого метода является ограничение номенклатуры покупных изделий, используемых для разрабатываемых
устройств. Проведение ограничения может быть использовано на
любом уровне проектирования без уменьшения степени свободы
разработчиков. Рациональное ограничение не ухудшает качества
разработки, а уменьшая номенклатуру используемых материалов,
полуфабрикатов, комплектующих изделий, повышает общую эффективность производства. При этом одновременно уменьшается
объем запасных частей и принадлежностей и тем самым снижается
стоимость изделия, облегчается его эксплуатация.
6.2. Метод типизации
Метод типизации обеспечивает сохраняемость только некоторых объектов из возможной совокупности. Иначе говоря, этот
метод распространяется на малое число объектов большого числа
функций. Широкое распространение метода типизации в промышленности применимо как для стандартизации типовых изделий
общего назначения, так и для стандартизации типовых технологических процессов и испытаний. Весьма распространенным примером типизации является создание руководящих технических материалов (РТМ), используемых при проведении каких-либо работ,
расчетов, испытаний и т. п.
35
Применение метода типизации при проектировании узлов приборных систем связано с унификацией изделий и последующей их
стандартизацией, например габаритов электродвигателей, их присоединительных размеров, способов крепления в узле, конструкций выводных электрических разъемов и т. п.
6.3. Агрегатирование
Агрегатирование является дальнейшим развитием методов унификации и состоит в том, что выделяются и конструктивно оформляются общие узлы, пригодные для использования в различных
изделиях и устройствах в виде функционально и конструктивно
законченных узлов, производство которых может быть специализировано и централизовано. По своей сути использование агрегатирования в приборостроении – это и есть применение базового
метода конструирования прибора, узла и т. д. Унифицированные
электромеханические модули и конструктивно согласованные с
ними электронные модули, модули датчиков обратной связи образуют унифицированные функциональные устройства. Ряды этих
функциональных устройств должны быть строго нормированы,
иметь одинаковые или кратные присоединительные размеры и
электрические параметры. Такой подход позволяет создавать большое число составных частей приборов различного функционального назначения и фактически аналогичен агрегатированию в машиностроении.
Все рассмотренные методы взаимозаменяемости уменьшают номенклатуру и могут быть применимы к одним и тем же объектам
либо дифференцировано, либо совокупно.
Контрольные вопросы
1. Что такое метод типизации?
2. Что такое метод агрегатирования?
36
7. Классификация И конструкции
электромеханических модулей
Исходя из функционального назначения все электромеханические модули могут быть подразделены на четыре группы.
Первая группа – электромеханические модули, имеющие на
входе электрический сигнал и на выходе пространственное перемещение. К этой группе следует отнести:
– электродвигатели с шестерней на выходном валу;
– электромагнитные муфты.
Вторая группа – электромеханические модули, имеющие на
входе пространственное перемещение и на выходе электрический
сигнал. К этой группе относятся разного рода командные механизмы, переключатели и т. п.
Третья группа – электромеханические модули, имеющие на входе и на выходе пространственные перемещения. К этой группе относятся зубчатые передачи, ограничительные механизмы, соединительные муфты.
Четвертая группа – разного рода установочные элементы, позволяющие механически соединить отдельные части в единое устройство.
7.1. Электродвигатели
Электродвигатели, как указано выше, являются основными элементами электромеханических модулей. Предметом исследования
являются модули приборного назначения, для которых характерны сравнительно небольшие значения развиваемых на выходном
валу вращающих моментов.
На основании имеющегося у исполнителя опыта проектирования электрических машин малой мощности и результатов предварительного (оценочного) расчета в качестве базового варианта для
синхронного и шагового двигателей выбран типоразмер с наружным диаметром 32 мм и длиной корпуса 20 мм. Предполагается,
что конструкция двигателя бесфланцевая, крепление в узле – с помощью плоской пружинной скобы.
В связи с тем, что в настоящее время наиболее прогрессивными
и производительными технологическими методами изготовления
изделий электромеханики являются штамповка холоднокатанного
37
листа и литье термопластических материалов, целесообразно конструирование электродвигателей осуществить с учетом этих условий.
Вариантом конструкции электродвигателя, в значительной мере
удовлетворяющим современной технологии изготовления деталей
и автоматизации сборки, является следующий вариант.
Статор электродвигателя может быть выполнен в виде отдельного модуля, в состав которого входят два одинаковых магнитопровода, содержащих полюсные выступы заданной длины, расположенные аксиально и входящие в междуполюсные пазы противолежащего магнитопровода. Магнитопроводы одновременно могут
быть подшипниковыми щитами электродвигателя. Целесообразно
применять в качестве подшипниковых узлов подшипники скольжения, выполненные из литьевого сополимера. Вариантом конструкции обмотки является сосредоточенная обмотка, выполненная в виде кольцевой каркасной катушки, устанавливаемой между
магнитопроводами с медными короткозамкнутыми витками специальной конфигурации, предназначенными для экранирования
части полюсов статора. Функцию внешней части магнитопровода
может выполнять корпус электродвигателя.
При такой конструкции ротор электродвигателя целесообразно
выполнять из кольцевого постоянного магнита, опрессованного литьевым сополимером на гладком стальном валу. На магните методом радиального намагничивания в ходе изготовления образуется
многополюсная система.
Двухфазный электродвигатель электромеханического модуля
для диапазона значений вращающегося момента, заданного техническим заданием, ориентировочно может быть спроектирован с
наружным диаметром Dн, равным 25 мм и длиной корпуса не более
20 мм. Такой двигатель целесообразно применять в тех случаях,
когда электромеханический модуль используется в реверсивном
режиме.
Современные тенденции в конструировании двухфазных синхронных электродвигателей предполагают, что каждая из фаз имеет свой независимый в магнитном отношении магнитопровод с когтеобразными полюсами и катушкой кольцевого типа, размещенной
внутри магнитопроводов. Таким образом, двухфазный электродвигатель состоит из двух одинаковых узлов – фаз, расположенных на
одной продольной оси, имеющих один общий ротор, выполненный в
виде кольцевого постоянного магнита, и развернутых относительно
38
друг друга на 90 электрических градусов. Электрическое питание
двухфазного электродвигателя может осуществляться либо от источника двухфазного напряжения или от однофазного с использованием дополнительно подключенного к одной из фаз конденсатора.
При использовании подобного электродвигателя в шаговом режиме электрическое питание обмоток выполняется от специального генератора импульсов, причем их последовательность задает
частоту и направление вращения выходного вала.
7.2. Редукторы
Редукторы служат в кинематической цепи электромеханического устройства для изменения направления и частоты вращения при
передаче движения от электродвигателя к исполнительному механизму с одновременным преобразованием вращающего момента.
Наиболее распространенным и технологически проработанным является редуктор с цилиндрическими зубчатыми колесами.
В одном и том же корпусе в зависимости от различных заранее заданных сочетаний шестерен и зубчатых колес редуктор такого типа
без дополнительной механической обработки позволяет получить
несколько вариантов с разными передаточными отношениями.
Червячные редукторы также достаточно широко применяются
в узлах приборного типа.
Обладая рядом преимуществ по сравнению с цилиндрическим
зацеплением – меньшими габаритами и меньшим числом элементов, червячным редукторам присуще свойство самоторможения,
что ограничивает их область применения.
Прогрессивным типом редукторов является планетарная передача. Такое устройство используется в приборах если требуется
реализовать большие значения передаточных отношений в сравнительно малых габаритах и отсутствуют жесткие требования к кинематической погрешности передачи.
Наконец, четвертый и последний из рассматриваемых типов редукторов это передача « винт–гайка «. Такой редуктор предназначен для преобразования вращения ротора электродвигателя в поступательное (линейное) перемещение штока, проходящего через
ось двигателя. При качественном изготовлении элементов передачи такая конструкция весьма эффективна для привода исполнительных устройств.
39
Все рассмотренные выше типы редукторов следует изготавливать без механической обработки с широким применением технологии литья высокопрочных термопластов и последующей сборки
деталей в узлы без дополнительных крепежных изделий (винтов,
шурупов, гаек и т. п.).
7.3. Электромагнитные муфты
Распространенным элементом электромеханических узлов приборов являются электромагнитные муфты, которые служат для соединения кинематических цепей и передачи вращающего момента
от привода к исполнительному механизму.
Электромагнитные муфты конструктивно могут быть выполнены как с вращающейся, так и с неподвижной катушкой.
При подаче тока в обмотку катушки может выполняться либо
сцепление валов привода и исполнительного механизма, либо их
расцепление, либо переключение. В последнем случае привод подсоединяется к одному из двух исполнительных устройств.
Контрольные вопросы
1. На какие группы делятся все электромеханические модули исходя
из функционального назначения?
2. Какие функции выполняет каждая из этих групп в электромеханическом модуле?
40
8. Конструкторская документация
на ряд электродвигателей
8.1. Методика расчета основных размеров магнитной цепи
обмотки возбуждения электродвигателя
Использование современных методов анализа электрических
машин, таких как матричный анализ, позволяет разработчику
определить не только номинальные значения параметров электродвигателей, но и оценить влияние технологических погрешностей,
возникающих на этапах конструирования и производства.
Одним из перспективных типов электродвигателей является
двухфазный электродвигатель с когтеобразными полюсами на статоре. Конструкция двигателя изображена на рис. 1.
Рис. 1. Двигатель с когтеобразными полюсами:
1 – статор А; 2 – статор В; 3 – ротор с постоянными магнитами
41
Магнитная система электродвигателя
Электродвигатель состоит из двух статоров, имеющих одинаковые зубцовые зоны, смещенные по углу на 90 эл. градусов. Общий
ротор представляет собой цилиндрический постоянный магнит с
чередующимися полюсами на его поверхности. Число полюсов на
роторе и статоре одинаково. По существу, каждый из статоров и половина ротора образуют отдельный двигатель, который с электромагнитной точки зрения можно рассматривать самостоятельно.
Смещение статоров на 90 эл. градусов и наличие двух обмоток позволяют осуществлять реверс двигателя [3].
Особенностью электродвигателей с когтеобразными полюсами
являются значительные потоки рассеяния (рис. 2).
Каждая из половин двигателя имеет магнитную систему, схема
замещения которой приведена на рис. 3.
­
¹
­
¹
S
­
S ­
N
D
%
Рис. 2. Схема магнитной цепи двигателя на пару полюсов:
1 – ротор (постоянный магнит); 2 – статор
­
N
Q
3
D ­
D
­
S ­
3
Q
N
'
N
­
¸
S 3
S Q
­
3
B
S ­
­
¸
3
B
'
B
Рис. 3. Схема замещения магнитной системы
42
Магнитный поток ротора, сцепляющийся с обмоткой статора,
образуется путем «параллельного» соединения потоков от каждой
пары полюсов [4].
Поскольку все элементарные магниты на роторе одинаковы и
соответствующие им магнитные сопротивления зазора равны, то в
схеме замещения сопротивления Rm, Rσ и Rδ разделены на число
параллельных ветвей по отношению к магнитопроводу статора (р).
На схеме замещения магнитной цепи введены следующие обозначения:
Rm – магнитное сопротивление магнита; Rδ – магнитное сопротивление воздушного зазора; Rσ – сопротивление потоку рассеяния; Rаσ – магнитное сопротивление рассеяния статора (магнитное
сопротивление между зубцами); Rа – магнитное сопротивление
магнитопровода статора; Fm – МДС магнита; Fа – МДС статора,
Фm, Фδ, Фа – магнитные потоки соответственно постоянных магнитов, зазора и статора.
Уравнения для определения
магнитных потоков и их решение
Введем для контуров 1, 2 и 3, (см. рис. 2), контурные потоки
Ф1 = Фm; Ф2 = Фδ и Ф3 = Фа.
Уравнения МДС для этих контуров запишем в виде:
æ Rm Rσ
çç
+
çç p
p
çç
çç - Rσ
ççç
p
ççç
0
çç
çè
Rσ
p
Rσ Rδ
+
+ Raδ
p
p
-Raσ
-
ö÷
÷÷÷
÷÷æ Ô1 ö æ Fm ö
÷÷
÷÷çç ÷÷ çç
-Raσ ÷÷ç
÷ççÔ2 ÷÷÷ = ççç 0 ÷÷÷. ÷÷÷ççÔ ÷÷÷ çç-F ÷÷÷
è ø è aø
Ra + Raσ ÷÷÷ 3
÷÷
ø
0
(8.1)
Пусть ∆ – определитель матрицы (8.1).
∆=
ö
Rm + Rσ æç Rσ + Rδ
R + Rσ 2
R2
Raσ - σ2 (Ra + Raσ ),
+ Raσ ÷÷÷(Ra + Raσ )- m
ç
çè
p
p
p
ø÷
p
 
тогда
Ô à = Ô3 =
éR + R æR + R
ù üï
ö 1
Rσ
1 ïìï
σç σ
δ
Raσ - Fa êê m
+ Raσ ÷÷÷ - 2 Rσ2 úú ýï.
ç
íFm
÷ø p
çè
ï
p
p
p
∆ ïïï
ëê
ûú þïï
î
43
Обычно реакция статора имеет поперечный характер и, как правило, Fа << Fm, поэтому
Ôa =
Fm Rσ Raσ
;
p
∆
Ôδ =
æ
Fm Rσ (Ra + Raσ )
R ö
= Ôa ççç1 + a ÷÷÷. (8.2)
çè
p
Raσ ÷ø
∆
Изменение параметров схемы замещения магнитной цепи
двигателя с увеличением числа пар полюсов
Магнитное сопротивление магнита R определяется из выражения
Rm =
hm Íñ
,
Sm Br
(8.3)
где hm – длина средней магнитной силовой линии, проходящей по
материалу магнита ротора; Нc – коэрцитивная сила при прямолинейной кривой возврата, рис. 4а, или Fm эф – при криволинейной
кривой, (рис. 4 б); Sm – площадь поверхности полюса магнита; Вr –
остаточная индукция (рис. 4).
š
y
­
а)
š
­
y
б)
#
S
#
S
D
'
y
) )
N
Ö
Í
'
y
) '
)
D
Рис. 4. Кривые размагничивания различных
магнитотвердых материалов:
а – ферриты, SmCo5; б – сплавы ЮНДК и подобные
Сопротивление магнита на пару полюсов
Rm
h H
= m c ,
p
pSm Br
44
Sm = ∆m Im = τIm =
πD
Im .
2p
pSm =
R
πD
lm ® ïîñòîÿííîå, íå çàâèñèò îò ð, т. е., m – не зави2
p
сит от р.
Сопротивление потоку рассеяния
Сопротивление потоку рассеяния на пару полюсов определяется
из выражения
Rσ
Rm
=
,
p
(kσ -1) p
(8.4)
где kσ – коэффициент рассеяния магнитного потока магнита.
Преобразование этого выражения
Rm
1 2 × hm Hc
=
(kσ -1) p kσ -1 πDIm Br
(8.5)
и последующий анализ позволяет сделать вывод о том, что величина сопротивления потоку рассеяния несколько падает, так как kσ
растет с увеличением числа пар полюсов.
Сопротивление воздушного зазора
Сопротивление воздушного зазора на пару полюсов определяется из выражения
Rδ
2δ
2δ
,
=
=
p
pµ0 Sδ µ τIm k ð
0
ô
2
(8.6)
где kФ – коэффициент формы зубцов.
После преобразования это выражение может быть представлено
в виде
Rδ
2δ
,
=
p
µ0 πDIm kô
(8.7)
что дает основание считать, что сопротивление воздушного зазора
на пару полюсов практически не зависит от р.
Рассмотрим, как влияет увеличение числа пар полюсов на магнитное сопротивление рассеяния статора Rаσ и на магнитное сопротивление магнитопровода статора Rа.
45
C
B
DÀ Рис. 5. Геометрия зубцовой зоны статора
Магнитное сопротивление рассеяния статора (расстояние между
зубцами магнитопровода статора) определяется через магнитную
проводимость между двумя соседними зубцами статора (рис. 5).
Проводимость между прямоугольными поверхностями,
расположенными параллельно
С учетом проводимости между ребрами и углами, т. е. с учетом
«выпучивания», магнитную проводимость определяем по выражению
æ
öæ
ö
çà + k1 δ ç ÷÷ççb + k2 δ ç ÷÷
÷
÷
ç
èçç
øè
ø
π
π
.
Λ ç = µ0
δç
(8.8)
Значения коэффициентов k1 и k2 зависят от отношения геометрических размеров полюсов. Принимаем k1 = 0,307, а k2 = 1,0.
Преобразуем выражение для магнитной проводимости:
Λ ç » µ0
k öù
δ æk
àb é
ê1 + ç çç 1 + 2 ÷÷ú . ç
ê
δç ë
πèa
b ÷øúû
(8.9)
Откуда магнитное сопротивление потоку рассеяния между зубцами магнитопровода статора:
Raσ =
46
1
=
2 pΛ ç
δç
.
é
δ ç æç k 1 k2 ÷öù
2 ðµ0 àb ê1 + ç + ÷÷ú
êë
b øûú
π èç a
(8.10)
С увеличением числа пар полюсов величина Rаσ уменьшается
как за счет р (знаменатель), так и вследствие уменьшения δз (числитель).
Магнитное сопротивление магнитопровода статора Rа
Магнитное сопротивление магнитопровода статора (рис. 6) определяется как сумма магнитных сопротивлений участков магнитопроводов:
Ra = Ra1 + 2Ra2 + 2Ra3 ,
где индексом обозначены: 1 – наружная часть магнитопровода
(корпус); 2 – боковая часть магнитопровода; 3 – зубцовая зона.
MD
%
%D
M
[
Рис. 6. Магнитопровод статора (часть)
Магнитное сопротивление наружной части магнитопровода
lc
Ra =
,
(8.11)
µ0 µ æ πDc ∆ æ
где lс – длина корпуса; Dс – наружный диаметр магнитопровода
(корпуса); ∆ж – толщина материала магнитопровода.
Магнитное сопротивление
каждой из боковых частей магнитопровода
Ra2 =
1
µ0 µ æ π∆ æ
Dc
2
dr
D
1
ln c , =
r
µ
µ
π∆
D1
0 æ
æ
D1
ò
(8.12)
2
где D1 – диаметр «расточки» магнитопровода.
47
Магнитное сопротивление каждой из двух частей зубцовой зоны
определяется из выражения
Ra3 =
lz
lz
3
=
,
µ0 µ æ bz ∆ æ ð 2µ0 µ æ τ∆ æ ð
(8.13)
где lz – длина зубца;  bz – ширина зубца.
Таким образом, Ra практически не зависит от числа пар полюсов.
При постоянном Fm, с ростом числа пар полюсов Фa уменьшается, а pФa, определяющая момент двигателя, может несколько возрасти.
Конкретные значения Фa, Мcр для данного габарита двигателя
можно получить по приведенным выше формулам.
При переходе на SmCo5, Rm сохранит свое значение, а Fm вырастет в 4 раза. При этом наступит насыщение в зубцах, что приведет к
существенному увеличению Ra, поэтому поток Фa вырастет менее,
чем в 4 раза и для сохранения величины индукции в зубцах надо
увеличить толщину материала магнитопровода.
ЭДС, магнитная мощность и момент электродвигателя
ЭДС электродвигателя определяется из уравнения
å = -w
dÔ
,
dt  
где Ф = Фa × сospΩt.
Тогда å = wÔà ðΩ sin pΩt.
Пусть ток, проходящий по обмотке двигателя, определяется по
выражению
i = -Im sin pΩt = -I 2 sin pΩt,
где pΩ = 2πf.
Тогда электромагнитная мощность
Pý = -åi = wÔa pΩI 2 sin2 pΩt.
1
имеем выражение для среднего значения
2
электромагнитной мощности
С учетом sin2 pΩt =
48
Pý.ñð =
1
2
wÔà IpΩ. (8.14)
Величина момента, создаваемого одной из двух обмоток двигателя, определяется как
Ðý.ñð
Mñð.ê =
.
Ω
Учитывая, что произведение Iw для одной из двух обмоток
S k
Iw = j0 k çï ,
2
где j0 – допустимая плотность тока; Sк – площадь сечения всей
катушки; Kзп – коэффициент заполнения медью, имеем выражение для момента от взаимодействия ротора и двухобмоточного статора:
Ì äâ = 2Ìñð.ê =
1
2
Ôà ðj0 Sk kçï . (8.15)
Уравнения ЭДС и выбор числа витков
при заданном напряжении питания
Уравнению ЭДС рассматриваемого электродвигателя
 + jÕ I
U = -E + Ir
s
соответствует векторная диаграмма, показанная на рис. 7 [5].
6
s&
*
S
*
*
K
9
T
­
¸
&
Рис. 7. Векторная диаграмма
49
Отсюда
U 2 = (E + Ir )2 + Xs2 I 2 ; E = Ôàw
(*)
2πf
= 4,44Ôa fw;
2
ρI W
Ir = j0q0 t W = j0ρt IW W;
q0
2πf 2 Sk kçï
πf
Xs I =
w j0
Sk kçï W.
=
Raσ
Raσ
2w
Подставляя в (*), получим
æ
ö2
æ U ö÷2
çç ÷ = (4,44Ôà f + j0ρt IW )2 +çç πf j0 Sk kçï ÷÷÷ . ççè R
èç W ø÷
ø÷
aσ
(8.16)
Отсюда при заданном U находим W.
Выбор величины емкости конденсатора
при однофазном питании в пусковом режиме
Для определения величины емкости конденсатора при однофазном питании находят величину пускового тока
In = j0q0 ,
где q0 – сечение обмоточного провода.
По величине пускового тока определяют последовательно полное сопротивление обмотки, реактивное сопротивление емкости
и величину самой емкости конденсатора по формулам соответственно:
Xc =
C=
50
U
;
In
(8.17)
Zn
;
sin j
(8.18)
106
.
Xc ω
(8.19)
Zn =
Пример
Требуется определить основные параметры, обмоточные данные,
вращающий момент, величину емкости конденсатора для электродвигателя, используемого в синхронном режиме с однофазным источником питания.
Размеры основных частей следующие: наружный диаметр
корпуса Dk = 25 мм; число пар полюсов 12; диаметр ротора (постоянного магнита) 12 мм; толщина материала магнитопровода
0,8 мм; длина двигателя 14 мм; материал магнитопровода – сталь
с µж = 500; материал постоянного магнита – гексаферрит бария.
Расчет начинается с определения магнитных сопротивлений
различных участков магнитной цепи.
Магнитное сопротивление магнита вычисляется по формуле
(8.3). При этом полагаем, что для используемого материала постоянного магнита Нс = 140 А/м, Вr = 0,2 Тл.
Полюсное деление τ =
πD π ×12
=
= 1,57 ìì;
2 p 2 ×12
длина средней маг-
нитной силовой линии hm может быть приближенно определена
1,57
τ
(рис. 8) как hm = π = π
= 2,46 ìì.
2
2
Площадь поверхности магнита Sm = τIm = 1,57 × 7 = 11 ìì2 .
Отсюда искомое магнитное сопротивление магнита
Rm =
hm Íñ 2,46 ×10-3 ×140 ×10-3
1
=
= 1,56 ×108
,
6
Ãí
Sm Br
11×10 × 0,2
T T 4
/
/
I
N
%
Рис. 8. Средняя длина силовой линии магнита на пару полюсов
51
Rm
1
.
= 1,3 ×107
Ãí
p
Сопротивление потоку рассеяния определяется по формуле (8.4).
При этом коэффициент рассеяния магнита
а на пару полюсов
kσ = 1 +
Ôσ
R
=1+ m
Ôm
Rσ
èëè Rσ =
Rm
.
kσ + 1
В данном случае (рис. 9)
kσ » 1 +
Sm - Sδ
11 - 5,7
»1+
= 1,5.
Sm
11
В действительности kσ за счет концентрации "силовых линий"
несколько уменьшается. Принимаем окончательно kσ = 1,4. Тогда
Rσ =
Rm 1,56 ×105
=
= 3,9 ×10-8
0,4
0,4
Rσ
1
,
= 3,25 ×107
Ãí
p
1
.
Ãí
Магнитное сопротивление воздушного зазора вычисляется по
формуле (7).
Площадь воздушного зазора Sδ (рис. 10) определяется следующим образом:
Sδ = 4,8
1,57 + 0,8
= 5,7 ìì2 ,
2
∆ ç = 0,8 ìì.
M
N
T 4
D
Рис. 9. К определению потока рассеяния магнита
52
$ À Рис. 10. Геометрия зубцовой зоны магнитопровода
(к определению площади воздушного зазора)
Тогда
Rδ =
2δ
2 × 0,15 ×10-3
1
=
= 0,42 ×108
,
Ãí
µ0 Sδ 1,25 ×10-6 × 5,7 ×10-6
а
Rδ
1
.
= 0,35 ×107
Ãí
p
Магнитное сопротивление рассеяния статора определяем по выражению (8.10). Принимаем δз = 0,8 мм; а = 0,8 мм; b = 5,3 мм (см.
рис. 5).
Raσ =
´
0,8 ×10-3
24 ×1,25 ×10-6 × 0,8 ×10-3 × 5,3 ×10-3
-3 æ
é
1,0 ö÷ùú
ê1 + 0,8 ×10 çç 0,307 +
÷÷
ê
ú
ç
3
çè 0,8 ×10
π
5,5 ×10-3 ÷øûú
ëê
´
= 0,56 ×107
1
.
Ãí
Магнитное сопротивление магнитопровода статора определяем
через магнитные сопротивления его частей по формулам (8.11),
(8.12) и (8.13).
53
Принимаем Dс = 25 мм, lс = 7 мм и lz = 6 мм (см. рис. 6).
Ra1 =
Ra2 =
Ra3 =
7 ×10-3
-6
1,25 ×10
-3
× 500 × π × 25 ×10
æ 25 ö
ln ççç ÷÷÷
è16 ø
1,25 ×10-6 × 500 × π × 0,8 ×10-3
-3
× 0,8 ×10
= 0,03 ×107
= 0,02 ×107
1
,
Ãí
6 ×10-3
-6
2 ×1,25 ×10
-3
× 500 ×1,57 ×10
-3
× 0,8 ×10
1
,
Ãí
×12
= 0,03 ×107
1
.
Ãí
Отсюда
Ra = Ra1 + 2Ra2 + 2Ra3 = 0,02 ×107 + 0,06 ×107 + 0,06 ×107 = 0,14 ×107
1
.
Ãí
Магнитный поток статора определяем по формуле (8.2), предварительно вычислив определитель матрицы (8.1):
∆ = 4,2 ×1021
и тогда
Ôà =
2,46 ×140 × 3,25 ×107 × 0,56 ×107
4,2 ×1021
= 15 ×10-6 Âá.
Средние значения индукции в зубцах
Âz =
Ôà
2
τ∆ æ ð
3
=
3 ×17 ×10-6
2 ×1,57 × 0,8 ×10-6 ×12
= 1,2 Òë.
Магнитный поток в воздушном зазоре
æ
0,14 ×107 ö÷÷
-6
Ôδ = 17 ×106 × ççç1 +
÷ = 18,7 ×10 Âá.
0,56 ×107 ø÷÷
èç
Индукция в воздушном зазоре
Âδ =
54
Ôδ
21,2 ×10-6
=
= 0,33 Òë.
ðSδ 12 × 5,7 ×10-6
Пусть j0 = 10
Ìäâ =
1
2
À
ìì2
– допустимая плотность тока в катушке.
×15 ×10-6 ×12 ×107 ×15 ×10-6 × 0,4 = 7,66 ×10-3 Í × ì =
= 7,66 ìÍ × ì.
Потребляемая активная мощность одной катушкой
Pcu = ρt j02 Sk¢ kçï Iω = 2 ×10-8 ×1014 × 7,5 ×10-6 × 0,4 × π ×19 ×10-3 = 0,358 Âò.
Коэффициент полезного действия при f = 50 Гц.
1
1
ÌN = Mn - Mìàêñ ;
2
2
2πf 314
;
Ωñ =
=
p
p
Pìåõ = MN Ωc = 3,83 ×10-3 ×
η=
0,1
= 0,13 » 13%.
0,385 × 2
314
= 0,1 Âò;
12
Обмоточные данные катушки статора определяем по формуле
(8.16). При этом полагаем, что средний диаметр витка катушки
Dk = 19 мм, площадь поперечного сечения катушки Sk = 15 мм2,
коэффициент kзп = 0,4, частота напряжения питания f = 50 Гц.
2
æ U ö÷2
çç ÷ = 4,44 ×15 ×10-6 × 50 + 107 × 2 ×10-8 × 60 ×10-3 +
çè W ø÷
(
)
æ π × 50
ö2
+çç
×10-7 ×107 ×15 × 0,4 ×10-6 ÷÷÷ .
çè 0,56
ø
1
U é
2
= ê(33 + 120) + 16,82 ùú 2 ×10-4.
û
W ë
Отсюда
ω=
100U
.
1,54
Пусть U = 6 В, тогда W = 390 витков.
55
q0 =
7,5 × 0,4
= 0,0077 ìì2 ; d0 » 0,1 ìì.
390
Выбор емкости при однофазном питании в пусковом режиме:
In = j0q0 = 10
A
0,0077 = 0,077 À;
ìì
6
U
=
= 77,9 Îì;
In 0,077
Z
77,9 ×121
= 562 Îì;
Õñ = n =
sin j
16,8
Zn =
Ñ=
106
106
=
= 5,6 ìêÔ.
Õñ ω 562 × 3,4
При U = 12 В;   С = 2,8 мкФ.
8.2. Конструкция ряда электродвигателей
Однофазный синхронный электродвигатель спроектирован с наружным диаметром, равным 32 мм и длиной корпуса 21 мм. Статор электродвигателя выполнен в виде отдельного модуля, в состав
которого входят два одинаковых магнитопровода, содержащих
полюсные выступы заданной длины, расположенные аксиально и
входящие в междуполюсные пазы противолежащего магнитопровода. Магнитопроводы одновременно являются подшипниковыми
щитами электродвигателя. В качестве подшипниковых узлов применены подшипники скольжения, выполненные из литьевого сополимера. Сосредоточенная обмотка выполнена в виде кольцевой
каркасной катушки, устанавливаемой между магнитопроводами
с медными короткозамкнутыми витками специальной конфигурации, предназначенными для экранирования части полюсов статора. Внешняя часть магнитопровода выполнена как корпус электродвигателя.
При такой конструкции ротор электродвигателя состоит из
кольцевого магнита, опрессованного литьевым сополимером, на
гладком стальном валу. На магните методом радиального намагничивания в ходе изготовления образована многополюсная система.
Двухфазный электродвигатель электромеханического модуля
для диапазона значений вращающегося момента, заданного техни56
ческим заданием спроектирован с наружным диаметром, равным
25 мм и длиной корпуса 20 мм. Такой двигатель может использоваться в тех случаях, когда электромеханический модуль работает
в реверсивном режиме. Каждая из фаз электродвигателя имеет свой
независимый в магнитном отношении магнитопровод с когтеобразными полюсами и катушкой кольцевого типа, размещенной внутри
магнитопроводов. Таким образом, двуфазный электродвигатель состоит из двух одинаковых узлов – фаз, расположенных на одной
продольной оси, имеющих один общий ротор, выполненный в виде
кольцевого постоянного магнита, и развернутых относительно
друг друга на 90 электрических градусов. Электрическое питание
двухфазного электродвигателя осуществляется либо от источника
двухфазного напряжения или от однофазного с использованием дополнительно подключенного к одной из фаз конденсатора.
При использовании подобного электродвигателя в шаговом режиме электрическое питание обмоток выполняется от специального генератора импульсов, причем их последовательность задает
частоту и направление вращения выходного вала.
Контрольные вопросы
1. Приведите пример расчета параметров для электродвигателя, используемого в синхронном режиме с однофазным источником питания.
2. Опишите конструкцию однофазного синхронного электродвигателя
электромеханического модуля.
3. Опишите конструкцию двухфазного электродвигателя электромеханического модуля.
57
9. Конструкторская документация
на универсальный редуктор
9.1. Расчет основных деталей редуктора
и угловой погрешности
Универсальный редуктор относится к числу кинематических
мелкомодульных зубчатых передач. Его основными параметрами
являются угловая погрешность, кинематическая погрешность,
чувствительность (момент трогания), мощность (максимальный
передаваемый момент), надежность, долговечность и др. Стандартом установлено 12 степеней точности зубчатых колес. Для каждой
степени точности зубчатых колес и передач устанавливаются нормы кинематической точности, плавности работы и контакта зубчатых колес и передач. Независимо от степени точности установлено
пять видов сопряжений зубчатых колес и четыре вида допусков на
боковой зазор.
Выражая величину бокового зазора в угловых единицах, получаем значение угловой погрешности, которая в свою очередь характеризует угловое рассогласование в движении ведущего и ведомого
звеньев редуктора при реверсе. Угловую погрешность можно рассматривать как погрешность перемещения ведомого колеса редуктора:
∆jìõ = ∆jîáð - ∆jïð ,
где jпр, jобр – погрешности положения ведомого звена (колеса) отвечающее двум противоположным направлениям вращения ведущего звена (колеса).
Для расчета угловой погрешности определяется значение суммарного бокового зазора jп в звеньях зубчатого редуктора, приведенных к расчетному звену на линии его перемещения. В общем
случае любая зубчатая передача должна иметь боковой зазор между зубьями колес. Этот зазор необходим для компенсации погрешностей изготовления и монтажа, компенсации температурной и
упругой деформации, а также для создания нормальных условий
смазки.
Правильным выбором бокового зазора устраняется возможное
заклинивание при нагреве редуктора и ограничивается угловая погрешность в случае отсчетных передач [6].
58
В любых случаях для нормальной работы редуктора при проектировании должно выдерживаться условие jп ≥ 0.
На величину угловой погрешности зубчатой передачи в общем случае влияют: погрешность межцентрового расстояния,
смещение исходного контура зубца, биение зубчатого венца,
отклонение основного шага, погрешность направления зубьев,
перекос осей колес, зазоры в опорах вращения, упругие и температурные деформации, зазор для смазки и зазор вследствие
износа.
Так как универсальный зубчатый редуктор состоит из нескольких пар мелкомодульных зубчатых колес, то для расчета суммарного значения угловой погрешности производится предварительное приведение значений боковых зазоров каждой зубчатой пары,
составляющих редуктор, к выходному звену. Приведение значения
бокового зазора данной пары колес к выходному колесу осуществляется умножением его на линейное передаточное отношение i’ от
данной зубчатой пары до выходного колеса.
Расчет угловой погрешности редуктора сводится к следующим
этапам:
– рассчитывается значение бокового зазора для каждой из пар
зубчатых колес, составляющих редуктор, при этом определяется
значение среднего бокового зазора и предельные отклонения бокового зазора от среднего значения;
– рассчитываются линейные передаточные отношения для каждой пары зубчатых колес от данной пары до того колеса, величина
бокового зазора которого определяется;
– приведение рассчитанных ранее значений боковых зазоров
пар колес к выходному колесу умножением на линейные передаточные отношения;
– рассчитывается суммарное значение бокового зазора редуктора путем вероятностного сложения приведенных значений боковых зазоров;
– рассчитывается угловая погрешность в угловых единицах
умножением значения суммарного бокового зазора на коэффициент6880/dдcosαД, где 6880 – коэффициент перевода радиан в угловые минуты; dд – диаметр делительной окружности выходного колеса, мм; αд – угол зацепления.
Значение бокового зазора редуктора на выходном колесе в общем виде вычисляется как сумма составляющих, вызванных ранее
перечисленными погрешностями.
59
Для расчета отдельных составляющих угловой погрешности существуют детально разработанные методики, изложенные в технической литературе.
Особый интерес представляет методика расчета составляющей
угловой погрешности, вызванной износом.
Наиболее сложным и мало изученным является вопрос износа
зубчатых передач. Для зубчатых передач существуют методы расчета рабочих поверхностей зубьев на контактную прочность, однако инженерные методы расчета зубьев на износ отсутствуют.
Основная причина отсутствия обоснованных методов расчета
зубчатых передач на износ состоит в том, что скорость разрушения
рабочих поверхностей зубьев представляет собой функцию большого числа трудно учитываемых факторов. Это приводит к тому, что
величину износа трущихся поверхностей деталей узлов и зубчатых
передач определяют экспериментально.
Износ зубчатых колес зависит от твердости рабочих поверхностей
зубьев, шероховатости поверхности трения, нагрузочного момента,
зазора между деталями, скорости скольжения, вязкости и чистоты
смазки, механического и кинематического воздействия и т. п.
Таким образом, износ относится к случайным величинам. Поэтому все закономерности процесса изнашивания универсального
редуктора следует рассматривать как случайные статические закономерности, а исследование процесса изнашивания возможно
лишь при помощи методов теории вероятности.
Учитывая, что угловая погрешность является основной эксплуатационной характеристикой универсального редуктора, исследование износа его деталей целесообразно проводить, определяя его
влияние на угловую погрешность. Исходная угловая погрешность
универсального редуктора, полученная при изготовлении, так же
как и дополнительная угловая погрешность в результате износа являются случайными величинами.
Уравнение для определения приведенного значения суммарной
угловой погрешности универсального редуктора с учетом его эксплуатации принимает вид
∆jðåä = (∆jðåä )0 + ∆jèçí.ðåä ,
где (∆jðåä )0 – угловая погрешность редуктора к моменту окончания его изготовления; ∆jèçí.ðåä – угловая погрешность редуктора
в результате износа.
60
9.2. Конструкция универсального редуктора
Универсальный редуктор изготавливается с широким применением литья высокопрочных термопластов и последующей сборки
деталей в узлы без применения дополнительных крепежных изделий типа винтов, гаек, шурупов и т. п. Такая конструкция в полной
мере отвечает тенденции современного производства в использовании полностью автоматизированных процессов.
Основными формообразующими деталями редуктора являются
корпус и крышка. На корпусе с помощью пружинной скобы закрепляется электродвигатель электромеханического модуля, а через
отверстие в крышке выпущен выходной вал. Для крепления на
приборе предусмотрены два отверстия, соосность выходного вала
редуктора и сопрягаемого с ним элемента прибора обеспечивается
цилиндрическим выступом на крышке редуктора.
Универсальный редуктор содержит пять степеней редукции,
реализованных пятью парами зубчатых колес, восемь из которых
собраны конструктивно в блоки шестерен.
Выходная шестерня опрессована на стальном валу.
Общий коэффициент редукции равен 187,5, но заменой отдельных пар шестерен может быть изменен по желанию потенциального заказчика электромеханических модулей.
Контрольные вопросы
1. Какие параметры являются основными для универсального редуктора электромеханического модуля?
2. По каким этапам ведется расчет угловой погрешности редуктора?
3. Что влияет на величину угловой погрешности зубчатой передачи?
4. Опишите конструкцию универсального редуктора электромеханического модуля.
61
10. Разработка требований к составу
и характеристикам специальной
технологической оснастки
Требования к составу и характеристикам специальной технологической оснастки фактически определены конструкцией тех
устройств электромеханики, которые были разработаны.
Поскольку материалы, выбранные для изготовления априори
определены, то, следовательно, определена технология изготовления, удовлетворяющая условию крупносерийного производства.
10.1. Состав специальной технологической оснастки
Определение состава специальной технологической оснастки
возможно после анализа конструкторской документации на детали, входящие в состав разработанных электроэлементов.
Электродвигатели, входящие в состав электромеханических модулей, состоят из корпуса, щитов-магнитопроводов, экранов, каркаса с намотанной на него обмоткой и ротора, в котором конструктивно объединены вал и магнит.
Корпус электродвигателя представляет собой стакан, получаемый
на вытяжных штампах, с последующей обрезкой торцевых частей на
специальном оборудовании. На боковой поверхности заготовки корпуса пробивается «окно» для колодки каркаса катушки с выводами.
Магнитопроводы изготавливаются на совмещенном штампе, который кроме операций вырубки и пробивки выполняет гибку полюсов.
Для производства экранов используется штамп последовательного действия, в рабочую зону которого материал поступает в виде
медной ленты.
Каркасы отливаются в двухместной стационарной литьевой
форме.
Формирование подшипников скольжения на магнитопроводах
и роторов производится в специализированных съемных литьевых
формах, устанавливаемых при заливке в рабочую зону вертикальных литьевых машин. Детали универсального редуктора изготавливаются литьем под давлением из термопластичных материалов.
Корпус и крышка редуктора отливаются одновременно как комплект в стационарной литьевой форме, а блоки шестерен в съемных
формах.
62
10.2. Характеристики специальной технологической оснастки
Все штампы, которые были разработаны для изготовления деталей узлов электромеханических модулей, по технологическому
принципу могут быть сведены в следующие группы: простого, совмещенного и последовательного действия.
Штампы простого действия производят одну штамповочную
операцию за один ход ползуна пресса в пределах одного шага подачи.
Штампы совмещенного действия выполняют несколько различных операций. Так же как и для простых штампов вся работа осуществляется за один ход ползуна и в пределах одного шага подачи.
В таком штампе обязательно есть деталь двойного назначения –
пуансон-матрица.
Штампы последовательного действия выполнят несколько
различных операций последовательно. Работа штампа осуществляется за несколько ходов ползуна пресса и за несколько шагов
подачи.
Точность совпадения контуров детали, штампуемой на нескольких простых штампах, – наименьшая, лучшая – на последовательном и отличная – на совмещенном.
По назначению штампы могут быть разнесены по группам: специальные, специализированные и универсальные.
Все штампы предназначены для изготовления конкретных деталей узлов электромеханических модулей и в этом смысле они и
являются специальными и специализированными.
Применение универсальных штампов, используемых для единичного и мелкосерийного производства, в нашем случае не предусмотрено.
Все детали спроектированных штампов разделяются на четыре
группы в соответствии с характером участия их в процессе штамповки.
Детали деформирующей группы (пуансоны, матрицы, ножи и
т. п.) являются определяющими, так как их форма и размеры непосредственно передаются штампуемой заготовке.
Устанавливающие детали (упоры, ловители, фиксаторы и т. п.)
участвуют в формировании штампуемой детали косвенно, обеспечивая заготовке надлежащее положение в штампе.
Удаляющие детали (съемники, выталкиватели, пружины) влияют на производительность и повышают безопасность работы.
63
Сборочные детали (плиты, пуансонодержатели, матрицедержатели и т. п.) предназначены для фиксации взаимного расположения в пространстве деталей первых трех групп.
При проектировании штампов разработчики использовали существующие Государственные стандарты, руководящие технические материалы а также отраслевые нормали.
Литьевые формы состоят из отдельных деталей, которые можно
подразделить на две основные группы [4].
К первой группе относятся детали технологического назначения.
Они непосредственно соприкасаются с перерабатываемой пластмассой и участвуют в придании изделию нужной формы. К ним относятся: матрицы, литниковые плиты, пуансоны, вкладыши и т. п.
Вторая группа охватывает детали конструктивного назначения.
Эти детали непосредственно не участвуют в придании изделию требуемой формы, а служат для взаимного закрепления в определенном положении деталей литьевой формы, раскрытия и закрытия
ее, а также для связи формы с литьевым прессом. К таким деталям
относятся различные фиксаторы, направляющие колонки и втулки, выталкиватели, ручки форм, детали разъемных приспособлений и т. п.
В том случае, если в изделии применяется арматура и литьевая
форма сконструирована как многоместная, то целесообразно спроектировать ее съемной или полустационарной, чтобы удобнее было
устанавливать арматуру вне пресса.
Если в отливаемом изделии отсутствует арматура, то обычно
применяется стационарная литьевая форма. Особое внимание при
разработке этой формы уделено литниковой системе, от конструкции которой зависит режим формирования деталей и их качество.
При литье небольших деталей обычно используют многогнездные формы, причем выбор количества гнезд зависит от экономических и технических факторов.
Многогнездные формы позволяют повысить производительность, коэффициент использования оборудования и снизить себестоимость изделий.
Выбор оптимального числа гнезд может быть выполнен в двух
направлениях – как технико-экономическая задача, когда число гнезд определяется с точки зрения минимальных затрат на изготовление литьевой формы, окупаемой при выполнении данной
партии деталей, или как технико-конструкторская задача, когда
число гнезд выбирается максимально возможным исходя из харак64
теристик литьевой машины (усилия пресса, массы впрыска, полезной площади литьевой формы и др.)
С экономической точки зрения при применении многогнездных
литьевых форм необходимо выбирать такое число гнезд, которое
обеспечивало бы наименьшую стоимость деталей.
Как известно, себестоимость изготовления детали из пластмассы кроме стоимости материала и затрат на амортизацию оборудования (для данной детали они являются постоянными величинами),
складывается из двух переменных величин: зарплаты рабочего
и себестоимости литьевой формы. При этом с увеличением числа
гнезд доля зарплаты на единицу продукции уменьшается, а себестоимость формы возрастает. В общем виде эта зависимость может
быть представлена так
Ñä =
Ñïð
nK1
+
ÑônK2
Ï
,
(10.1)
где Сд – себестоимость изготовления одной детали; Спр – себестоимость прессования с накладными расходами; Сф – себестоимость
одного гнезда литьевой формы; n – число гнезд; П – количество
деталей на годовую программу; K1 – коэффициент, учитывающий
снижение себестоимости литья с увеличением числа гнезд. K2 –
коэффициент, учитывающий себестоимость формы с увеличением
числа гнезд.
Оптимальное число гнезд п получается тогда, когда себестоимость детали Сд будет наименьшей.
Дифференцируя уравнение (10.1), имеем
Ñ ä¢ =
откуда ï =
dÑ ä
dn
=-
Cïð
2
K1ï
+
Ñô K2
Ï
,
Cïð Ï
.
K1 K2 Ñô
При K1 = 0,6 и K2 = 0,75 получаем
ï=
Cïð Ï
0,45Ñô
.
(10.2)
Зная годовую программу, себестоимость литья и себестоимость
одного гнезда литьевой формы, возможно получить значение оптимального числа гнезд.
65
Контрольные вопросы
1. Перечислить состав специальной технологической оснастки для изготовления электродвигателя и универсального редуктора электромеханического модуля.
2. Какие штампы применяются для изготовления деталей узлов электромеханических модулей?
3. В чем состоит преимущество многогнездных литьевых форм, применяемых для изготовления деталей электромеханических модулей?
66
11. Изготовление необходимой специальной
технологической оснастки
Изготовление необходимой специальной технологической
оснастки осуществляется инструментальным производством, которое подразделяется на несколько участков, а именно заготовительного, режущих инструментов, мерительной оснастки, штампов,
литьевых форм, приспособлений, кузнечного, сварочного, термического и т. п.
Заготовительный участок обеспечивает инструментальное производство заготовками по заявкам технологов. Оборудование заготовительных участков, как правило, включает отрезные дисковые
пилы, механические или гидравлические ножовки для отрезания
заготовок круглого, квадратного и шестигранного сечения. Применяются специальные отрезные станки, на которых заготовки отрезают вулканитовыми кругами. Этот метод является наиболее производительным для отрезания заготовок из стали большой твердости.
На заготовительном участке также зачастую выполняется предварительная обработка заготовок с тем, чтобы освободить дорогостоящие точные станки от выполнения грубых и несложных операций.
На кузнечном участке выполняются различные поковки, необходимые инструментальному цеху: матрицы, заготовки пуансонов,
плит литьевых форм, детали приспособлений и т. п.
Технологические процессы изготовления заготовок являются
однотипными как для штампов, так и для литьевых форм.
Обработку заготовок для деталей технологической оснастки
производят по разработанным технологиям:
– изготовление прямоугольных заготовок из поковок конструкционно-углеродистых и поделочных сталей;
– изготовление круглых заготовок из поковок конструкционноуглеродистых и поделочных сталей;
– изготовление прямоугольных заготовок из поковок инструментально-легированных и инструментально-углеродистых сталей;
– изготовление круглых заготовок из поковок инструментальнолегированных и инструментально-углеродистых сталей;
– изготовление прямоугольных заготовок из проката конструкционно-углеродистых и поделочных сталей;
– изготовление круглых заготовок из проката конструкционноуглеродистых и поделочных сталей;
67
– изготовление прямоугольных заготовок из проката инструментально-легированных и инструментально-углеродистых сталей;
– изготовление круглых заготовок из проката инструментально-легированных и инструментально-углеродистых сталей;
Соответственно перечисленным выше типовым технологическим процессам, все заготовки на детали оснастки условно разделены на восемь классов.
Из заготовок детали оснастки изготавливают по следующей технологии:
– координатная расточка;
– контурное фрезерование, в том числе копировально-фрезерная
обработка;
– токарная обработка (обточка, расточка, доводка, полирование);
– круглое наружное и внутреннее шлифование абразивными и
алмазными кругами;
– холодное выдавливание;
– электроискровое плоское шлифование;
– электроискровое круглое наружное и внутреннее шлифование;
– электроискровая расточка непрофилированным проволочным
электродом;
– электроискровая координатная прошивка;
– электроискровая прошивка;
– электроискровое вырезание непрофилированным электродом – проволокой;
– ультразвуковая прошивка;
– сверление отверстий под крепеж;
– нарезание резьбы;
– сборка в узлы;
– машинное опиливание;
– сверление отверстий в сборе;
– окончательное слесарное опиливание;
– доводка и полирование после закаливания и хромирования;
– окончательная сборка.
Координатную расточку деталей оснастки производят по координатным расчетам.
Основное универсальное и специальное оборудование и приспособления, наиболее часто применяемое в инструментальных цехах
при изготовлении штампов и литьевых форм, соответствует перечню вышеприведенных технологических операций.
68
К универсальным станкам общего назначения относятся:
– токарно-винторезные станки, габаритные размеры и точность
которых определяются характером изготавливаемой оснастки;
– фрезерные станки – универсальные, горизонтальные и вертикальные;
– строгальные станки (предпочтительно типа «Шепинг»);
– сверлильные станки – настольные (быстроходные), стационарные, обеспечивающие сверление отверстий до 14 мм, радиальносверлильные и резьбонарезные;
– координатнорасточные;
– долбежные станки (при обработке малогабаритных деталей
долбежные работы успешно выполняются на универсальнофрезерных станках, имеющих специальные приспособления для этой работы);
– шлифовальные станки – универсальные, круглошлифовальные, внутришлифовальные, плоскошлифовальные и резьбошлифовальные, габаритные размеры которых определяются характером
и требованиями, заложенными к деталям оснастки в конструкторских документах;
– ручные прессы усилием 10…30 кН для слесарно-сборочных работ;
– технологическое оборудование (прессы и литьевые машины)
для испытания оснастки.
В инструментальных цехах используют специальные станки
как отечественные, так и зарубежных фирм.
В группе шлифовальных станков обработку производят на профилешлифовальных станках фирмы «����������������������������
Loewe�����������������������
», оптическом профилешлифовальном станке модели 395М, профилешлифовальных станках
моделей 1СПШ и 3Р196, координатношлифовальном станке модели
3SM фирмы «Hauser», координатношлифовальном станке марки
Matrix, координатношлифовальном станке модели 5КШС.
Для электроэрозионной обработки деталей оснастки используют электроискровой станок модели ЛКЗ–18М2, электроэрозионный прецизионный координатнопрошивной станок модели ЗЭПС,
электроэрозионную фотокопировальную установку модели ЗЭФУ,
электроэрозионный расточной станок модели 5ЭСО, электроэрозионный станок модели 4531.
При этом следует иметь в виду, что работа электроэрозионных
станков при повышенных требованиях к точности, чистоте поверхности деталей и производительности возможна лишь при примене69
нии специальных генераторов импульсного тока. В качестве таких
применяют тиратронный генератор импульсов ГИТ–1М, высокочастотный генератор импульсов 1ЭВГ и т. п.
В технологических процессах с применением ультразвука нашли применение ультразвуковой прецизионный станок модели 24ПС
и ультразвуковой прошивной станок Троицкого станкостроительного завода, разработанный ЭНИИМС (модель 4772).
К группе специальных станков следует отнести также электроалмазный плоскошлифовальный станок модели 2ПЭШ, гравировальный станок модели 6А463 завода фрезерных станков, опиловочные
станки фирм «Hahn & Kolb»и «Thiel», фасонно-строгальный станок
фирмы «Thiel».
11.1. Изготовление штампов
Для изготовления электромеханических модулей в соответствии
с конструкторской документацией необходимо изготовить различные штампы. Рассмотрим штампы, предназначенные для изготовления деталей электродвигателей ДСО32 и ДСК25.
В производстве электродвигателей ДСО32 используются следующие штампы:
– штамп вырубки заготовки корпуса;
– штамп первой вытяжки заготовки корпуса;
– штамп второй вытяжки заготовки корпуса;
– штамп обрезки заготовки корпуса;
– штамп пробивки окна в заготовке корпуса;
– штамп вырубки экрана;
– штамп вырубки вывода;
– штамп вырубки магнитопровода;
– штамп рихтовки магнитопровода.
Для изготовления деталей электродвигателя ДСК25 целесообразно использовать следующие штампы:
– штамп вырубки заготовки наружного магнитопровода;
– штамп вытяжки магнитопровода;
– штамп пробивки полюсов магнитопровода;
– штамп калибровки магнитопровода;
– штамп обрезки магнитопровода;
– штамп пробивки паза магнитопровода;
– штамп вырубки щита;
70
– штамп вырубки заготовки внутреннего магнитопровода;
– штамп пробивки;
– штамп гибки;
– штамп высадки отверстий;
– штамп керновки;
– штамп вырубной;
– штамп гибки;
При изготовлении штампов кроме перечисленного универсального и специального оборудования используются также специальные приспособления для обработки деталей инструментальной
оснастки. К ним относятся:
– универсальное поворотное приспособление для плоского шлифования детали под двумя углами;
– синусная плита с магнитным закреплением детали при плоском шлифовании;
– поворотное приспособление с четырехсторонним магнитным
закреплением детали при плоском шлифовании;
– «магнитный кубик» для плоского шлифования деталей штампа;
– приспособление для профилирования шлифовального круга
под углом;
– приспособление для профилирования шлифовального круга
по дуге окружности;
– универсальное приспособление для профилирования шлифовального круга по дугам окружностей и сопряженным с ними прямым, расположенным под заданными углами;
– приспособление для профилирования шлифовального круга
по копиру;
– блок для закрепления обрабатываемой детали и соответствующего электрода при точной электроэрозионной обработке;
– делительное приспособление с устройством для направления
электрода при электроэрозионной обработке пазов одинакового
профиля и размеров в матрице;
– тиски для сверлильных и резьбонарезных работ;
– хоны и приспособления для хохингования отверстий.
11.2. Изготовление литьевых форм
Кроме штампов при производстве деталей электродвигателей и
редуктора в качестве технологической оснастки также использу71
ются литьевые формы для литья под давлением высокопрочных
термопластичных полимеров [ 1 ].
Детали и узлы электродвигателя ДСО32 изготавливаются с применением следующих литьевых форм:
– литьевая форма «Каркас»;
– литьевая форма «Щит»;
– литьевая форма «Ротор;
– литьевая форма «Катушка».
Для электродвигателя ДСК25 применяется литьевая форма
«Каркас» для изготовления каркаса катушки двигателя.
Универсальный редуктор полностью изготовлен из полимерных
материалов и все его детали производятся литьем под давлением в
литьевые формы:
– литьевая форма «Щит и корпус»;
– литьевая форма «Колесо»;
– литьевая форма «Блок колес;
Изготовление литьевых форм, также как и штампов невозможно без специальных станков и установок для обработки деталей
оснастки.
В качестве примеров такого специального оборудования приведем станок модели 4СШО, предназначенный для шлифования
пройм клиновых обойм литьевых форм и подобных им деталей.
Указанные технологические операции применяются при изготовлении деталей литьевых форм «Каркас»и «Щит и корпус».
Принцип действия станка 4СШО основан на совокупности работы внутришлифовального и плоскошлифовального станков. Обрабатываемая деталь закреплена на поворотном делительном столе,
установленным под углом относительно вертикальной плоскости.
Технологические операции шлифования на этом станке выполняются с высокой точностью и чистотой поверхности. Стороны проймы могут быть наклонены практически под любым углом. При повороте стол фиксируется специальным пальцем через каждые 15о.
При помощи синусного диска, закрепленного на оси стола, поворот
стола на любой угол может быть выполнен с высокой точностью.
Это позволяет обрабатывать профилированные детали с любым количеством граней.
Наклон стола относительно вертикальной плоскости осуществляется при помощи синусного приспособления, что создает возможность шлифования поверхностей, обеспечивающих клиновую
затяжку с высокой угловой точностью.
72
В процессе изготовления деталей литьевых форм применяется установка для механизации слесарно-доводочных работ модели 4УМД, предназначенная для механизации ручной слесарнодоводочной обработки сложно –контурных сквозных и объемных
полостей деталей литьевых форм.
При помощи этой установки выполняется чистовая обработка
открытых поверхностей, сквозных, а также глухих окон разной
конфигурации с прямыми и наклонными поверхностями, с сопряжением этих поверхностей по дуге окружности.
Принцип действия установки основан на методе обработки вращающимся инструментом типа бор-фрез различной формы, а также
инструментом, совершающим линейное перемещение в плоскости.
Электропривод, набор рабочих головок, приспособлений и инструмента обеспечивают обработку деталей литьевых форм указанными методами. Регулирование частоты вращения приводного
вала – бесступенчатое. На установке возможно применение алмазного инструмента.
На всю перечисленную выше оснастку оформляются паспорта,
в которых приведены размерные данные по деталям на соответствие операционным чертежам. В паспортах также указан тип и
основные характеристики оборудования ( прессов и литьевых машин ), на котором целесообразно использовать изготовленную технологическую оснастку.
Контрольные вопросы
1. Какие электроэрозионные станки используются при изготовлении
оснастки?
2. Какие специальные приспособления используются для обработки деталей инструментальной оснастки при изготовлении штампов?
3. Опишите принцип действия станка модели СШО, предназначенного
для шлифования пройм клиновых обойм литьевых форм.
4. Перечислите названия специальной технологической оснастки, необходимой для производства деталей электродвигателей электромеханических модулей.
5. Перечислите названия специальной технологической оснастки, необходимой для производства деталей универсального редуктора электромеханических модулей.
73
12. Изготовление макетных образцов
отдельных узлов электромеханических модулей
Для проверки основных положений, использованных при конструировании элементов электромеханических модулей, изготовляются макетные образцы отдельных узлов модулей.
Макетные образцы изготовляются по «обходной» технологии на
универсальном и специальном оборудовании, без применения специальной технологической оснастки.
Контроль размеров осущесвляется при помощи универсального измерительного инструмента ( штангельциркули, микрометры,
нутромеры, универсальный измерительный микроскоп и т. п.).
В ходе макетирования для проведения ряда технологических
операций часто требуется дополнительно изготовить специальную
оснастку и приспособления.
12.1. Изготовление макетных образцов узлов
электродвигателя ДСО32
При макетировании электродвигателя ДСО32 изготовляются
следующие детали и узлы:
– корпус электродвигателя;
– ротор;
– щиты-магнитопроводы;
– катушка.
Корпус электродвигателя изготовлен путем токарной обработки
из отрезка калиброванной бесшовной трубы. Заготовка подобрана
так, что ее наружный диаметр и толщина стенок соответствуют наружному диаметру и толщине стенок корпуса.
Для того чтобы гарантировать заданную чертежом соосность
расточек с обеих сторон детали, ее обработка проводится в приспособлении, обеспечившим требуемую точность взаимного расположения поверхностей.
С помощью операции фрезерования в корпусе удаляется с одной
из сторон часть, за чего образуется «окно»для выводов катушки
электродвигателя.
Ротор электродвигателя – это узел, который состоит из нескольких деталей. В состав ротора в макетном исполнении входит вал,
магнит цилиндрической формы и втулка из немагнитного материала, которая соединяет вал и магнит в один узел.
74
Вал ротора изготовлен из отрезка калиброванного прутка – «серебрянки». Материал прутка – нержавеющая сталь 20Х13. Токарная обработка заготовки должна обеспечивать необходимую длину
вала и фаски на обеих его концах.
Втулка выточена из алюминиевого сплава и соединена с валом
по прессовой посадке.
Магнит ротора выполнен в виде цилиндра с внутренним отверстием. В отверстии с помощью клея-эпоксидного компаунда закреплена втулка с валом. После отверждения клея – компаунда выполнено шлифование наружной поверхности ротора с базированием по
валу.
Так как магнит изготовлен из магнитотвердого материала – гексаферрита бария марки 7БИ300, то при шлифовании используется
инструмент на основе эльбора.
После окончательной сборки деталей ротора в узел и шлифовки
выполнено радиальное многополюсное намагничивание. Эта технологическая операция проводится с использованием импульсной
намагничивающей установки с накопительными конденсаторами,
обеспечившими значение энергии в импульсе не менее 1,8 кДж.
Импульсная установка при этом оснащена многополюсным
индуктором одновиткового типа, позволяющим сформировать на
поверхности магнита ротора 16 чередующихся полюсов, векторы
индукции которых направлены радиально. Достигнутое при этом
значение индукции, измеренное на расстоянии 0,3 мм от поверхности магнита, составило не менее 90м Тл.
Щиты-магнитопроводы также являются узлами, в состав которых входят магнитопроводы, подшипники скольжения и экраны.
Наиболее трудоемкой, в макетном исполнении, деталью являются магнитопроводы. Технология их изготовления состоит в следующем. Из листов холоднокатаной стали марки 08кп вырезаются
пластины необходимого размера.
После этого заготовки – пластины собраются в пакет, причем их
количество соответствует макетируемой партии электродвигателей.
Пайкой мягким припоем пластины пакета электрически соединяются. Дальнейшая обработка пакета выполняется на электроискровом станке.
Сложный контур заготовок магнитопровода образуется электроискровым вырезанием непрофилированным электродомпроволокой по предварительно составленной программе.
75
Формирование магнитопроводов из вырезанных заготовок осуществляется с помощью оправок, контроль расположения полюсов – с помощью специально изготовленного шаблона.
Подшипники скольжения для щитов–магнитопроводов изготовлены токарной обработкой из латунного прутка и запрессованы
в центральное отверстие каждого из магнитопроводов. После этого
производится коррекция расположения полюсов с тем, чтобы обеспечить необходимую точность соосного расположения внутренней
поверхности всех полюсов магнитопровода и оси отверстия в подшипнике через которое при сборке электродвигателя проходит вал
ротора [ 2 ].
Экраны, входящие в состав каждого щита-магнитопровода, также как и магнитопроводы изготовлены на электроискровом станке. Из–за того, что контур экрана является достаточно сложным,
он получен также электроискровым вырезанием. При этом пакет
заготовок экрана составлен из удвоенного количества пластин по
сравнению с пакетом пластин магнитопровода, так как в состав
каждого щита-магнитопровода входит по два экрана. Пластинызаготовки экрана получены из листа меди марки М1 толщиной
1,05 мм. Установка двух медных экранов на каждом магнитопроводе вызвана тем, что необходимо обеспечить требуемое сечение для
контура тока, проходящего по короткозамкнутым виткам.
При макетировании возможно использование по одной медной
пластине удвоенной толщины ( 2,1 мм ), стремясь возможно ближе
следовать конструкторской документации на электродвигатель.
При окончательной сборке щитов-магнитопроводов экраны должны быть надеты на соответствующие группы полюсов каждого из
магнитопроводов и закреплены кернением.
Катушки электродвигателей изготовлены намоткой эмалированного провода на каркас.
Каркасы макетов выполнены токарной обработкой из изоляционного материала – винипласта. При изготовлении каркасов в
литьевых формах на термопластавтоматах в одной из щек каркаса
предусмотрены пазы, в которые при серийном производстве вставлены выводы, служащие для припайки к ним выводных концов обмоточного провода катушки, а также для подпайки проводников,
предназначенных для подключения электродвигателя.
В макетном исполнении выводы катушки выполнены гибким
изолированным многожильным монтажным проводом. Подобное
отклонение вполне допустимо и принципиально не влияет на ха76
рактеристики электродвигателя. Дополнительные элементы каркаса катушки, служащие для взаимной ориентации магнитопроводов при их расположении в катушке выполняются приклеиванием
пластинок соответствующих размеров к каркасу.
После изготовления деталей и узлов электродвигателя проводится сборка пяти макетных образцов двигателя. При сборке на оба
конца ротора надеваются шайбы. Щиты-магнитопроводы устанавливаются в расточки корпусов, гибкие выводные проводники пропущены наружу через окно в корпусе.
Окончательная сборка осуществляется кернением в нескольких
точках на торцевых поверхностях корпуса.
12.2. Изготовление макетных образцов отдельных узлов
электродвигателей ДСК25
Электродвигатель ДСК25 отличается от однофазного синхронного электродвигателя ДСО32 не только габаритно –присоединительными размерами, но и 22конструкцией [ 3 ].
Фактически он состоит из двух синхронных машин с когтеобразными полюсами. Обе части составного статора смещены относительно
друг друга на половину полюсного деления, а магнитный поток имеет
аксиальное направление и одинаково хорошо сцепляется с обмотками статоров обоих двигателей. Для оптимального использования двигателя напряжение питания подается одновременно на обмотки обоих статоров. Фазовый сдвиг тока в одной из обмоток осуществляется
подключением ее к питающему напряжению через конденсатор.
Макет электродвигателя ДСК25 состоит из следующих деталей
и узлов:
– наружный магнитопровод;
– внутренний магнитопровод;
– катушки;
– ротор;
– фланец;
– щит.
Наружный и внутренний магнитопроводы, образующие магнитопровод статора, выполнены так, что каждый из них составлен из
двух одинаковых половин.
При последующей сборке обе части смещаются, как указано
выше, на половину полюсного деления.
77
При изготовлении наружного магнитопровода токарной обработкой выполняется из магнитомягкой стали заготовка чашеобразной формы. Наружный диаметр и толщина стенок выдерживаются при этом равными размерам, соответствующим заданным
чертежом.
В связи с тем, что каждая заготовка не является плоской деталью, они не могут быть собраны в пакет для последующего электроискрового вырезания. Поэтому обработка данной части заготовок
непрофилированным электродом-проволокой для создания необходимого контура выполняется поштучно. После электроискровой
обработки на данной части заготовки образованы 12 полюсов наружного магнитопровода.
Далее с применением соответствующей оправки образовавшиеся полюса загибаются внутрь чашеобразной заготовки, образуя наружный магнитопровод. Расположение полюсов между собой и по
внутреннему диаметру контролируется специальным шаблоном.
Внутренние магнитопроводы изготавливаются по технологии
аналогично описанной выше для магнитопровов электродвигателей ДСО32.
Поскольку заготовками для них являются пластины, вырезанные в данном случае, из холоднокатаного стального листа марки
08кп толщиной 0,8 мм, то при электроискровом вырезании пластины собирают в пачку. После электроискрового вырезания выполняется гибка полюсов с использованием оправки и контроль результатов процесса с помощью шаблона. При всех вышеперечисленных
операциях гибки применен ручной пресс с усилием 10 кН.
Катушки электродвигателя ДСК25 состоят из каркасов, на которые намотаны проводом марки ПЭТВ2 обмотки. Количество витков
и диаметр провода зависит от питающего напряжения. Обе катушки, используемые в электродвигателе, идентичны по намоточным
данным и, следовательно, по электрическим параметрам. Выводы от обмоток выполнены гибким многожильным изолированным
проводом.
Каркасы катушек изготовлены токарной обработкой стержневых заготовок изоляционного материала. Повышенные требования к размеру окна катушек, связанные с необходимостью возможно максимального заполнения данного объема медью намоточного
провода, предопределили как тщательность, так и характер оснастки, использованной при изготовлении.
Ротор электродвигателя состоит из нескольких деталей.
78
Макетное исполнение в отличие от серийного отличается тем,
что магнит соединен с валом не опрессовкой пластмассой, а втулкой из немагнитного материала. С целью типизации и унификации
как серийных экземпляров, так и макетных образцов вал ротора
сделан из отрезка калиброванного прутка – «серебрянка». Так же
как и для электродвигателей ДСО32 в качестве материала прутка
выбрана коррозионностойкая немагнитная сталь 20Х13. Втулка
ротора выточена из алюминиевого сплава и в нее запрессован вал.
Магнит кольцевой формы соединен со втулкой клеем. Наиболее
подходящим для этого признан клей на основе эпоксидного компаунда горячего отверждения.
В связи с тем, что магниты по наружному диаметру прошлифованы до требуемого размера, склеивание должно быть выполнено в
оправке, гарантировавшей соосное – в пределах допуска – положение наружной поверхности магнита относительно оси ротора.
При изготовлении фланца и щита электродвигателя используется токарное и фрезерное оборудование, а также проводятся слесарные работы.
Заготовки в виде пластин перед обработкой собираются в пакеты. Обработка для получения необходимого контура деталей является типовым процессом и не требует от исполнителя каких– либо
особых приемов.
В качестве подшипников применены подшипники скольжения.
Они были изготовлены из прутка латуни и запрессованы в центральные отверстия фланцев и щитов.
При сборке электродвигателя фланец и щит закрепляются на
наружных магнитопроводах, входящих в комплект экземпляра
макета. При закреплении с помощью соответствующих оправок
происходит взаимная предварительная фиксация с тем, чтобы обеспечить соосность внутренней поверхности полюсов магнитопровода и оси отверстия подшипника. Соединение фланца или щита с
наружным магнитопроводом выполняется с помощью заклепок небольшого диаметра. Далее в наружный магнитопровод устанавливается катушка. Выводные проводники пропускают наружу через
предназначенное для этого окно на магнитопроводе.
Внутренние магнитопроводы соединяются между собой также с
помощью заклепок. Перед окончательной сборкой их в узел магнитопроводы надеваются на оправку и взаимно разворачиваются относительно оси на половину полюсного деления. В нашем случае,
для двигателя ДСК25 этот разворот равен 7,5 градусам.
79
После закрепления внутренних магнитопроводов в заданном
положении производится сверление и разворачивание отверстий и
установка заклепок.
Собранный таким образом узел вставляется в расточку одного из
наружных магнитопроводов.
Ротор, на поверхности магнита которого образовано 24 полюса,
вставляется в собранный узел. После этого надевается другая половина наружного магнитопровода, в который предварительно так
же как и в первую была вставлена катушка. Аналогично процессу
сборки внутренних магнитопроводов наружные магнитопроводы
разворачиваются относительно друг друга на половину полюсного
деления или, что то же самое, на 90 электрических градусов. Контроль заданного взаимного положения при развороте выполняется
по предварительно нанесенным меткам.
12.3. Изготовление макетных образцов корпуса
и блоков шестерен редуктора
В состав универсального редуктора входят:
– корпус;
– крышка;
– блоки шестерен;
– зубчатое колесо с выходным валом;
– зубчатое колесо ( шестерня ) входного вала.
Зубчатое колесо ( шестерня ) входного вала входит в комплект
поставки,
изготавливается производителем редуктора, но его монтаж осуществляется заказчиком на выходном конце вала того электродвигателя, который предполагается применить в электромеханическом модуле.
Корпус универсального редуктора в макетном исполнении изготавливается из пластины термопластичной пластмассы подходящего размера на фрезерном оборудовании с последующей слесарной доработкой.
Полное копирование формы корпуса и формы крышки, которые соответствуют конструкторской документации на изделия,
получаемые литьем под давлением, потребовало бы от исполнителя неоправданно больших трудозатрат, что вряд ли целесообразно экономически. Тем не менее возможен вариант, позволяющий
80
при макетировании оптимально решить задачу. В ходе последующих испытаний следует оценить влияние деформации корпуса и
крышки при эксплуатации на предельных значениях температуры
среды.
Блоки шестерен были изготовляются из отдельных шестерен.
Шестерни выполнены из пластмассы на зуборезном оборудовании.
Число зубьев и модуль соответствуют данным конструкторской документации на серийную продукцию. Объединение отдельных шестерен в блоки осуществляется их склеиванием. Зубчатое колесо с
выходным валом и зубчатое колесо ( шестерня ) входного вала также изготавливаются на зуборезном оборудовании.
После изготовления всех деталей и узлов, входящих в состав
универсального редуктора, производится сборка трех экземпляров
редуктора. Предварительная оценка собранных макетов универсального редуктора должна быть удовлетворительной. Дальнейшие
испытания макетов редуктора проводятся под нагрузкой и при различных климатических условиях, что в результате позволят дать
более полную и объективную оценку конструкции универсального
редуктора.
Контрольные вопросы
1. Как изготавливается ротор электродвигателей электромеханических
модулей при макетировании?
2. Как изготавливаются экраны электродвигателей электромеханических модулей при макетировании?
3. Как изготавливается корпус универсального редуктора электромеханических модулей при макетировании?
4. Как изготавливаются блоки шестерен универсального редуктора
электромеханических модулей при макетировании?
81
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе последовательно рассмотрены вопросы разработки и конструирования электромеханических модулей различных приборов на основе базового метода конструирования. В отличие от метода моноконструкций базовый метод предполагает создание приборов, где это возможно, из функционально законченных
устройств, однотипных по габаритам и присоединительным размерам. Такими устройствами могут быть модули, узлы, а также блоки. Из унифицированных модулей собираются функциональные
узлы. В состав функциональных узлов входят модули с известными
характеристиками, проверенные на надежность и всесторонне испытанные. Из узлов собираются блоки и, окончательно, приборы.
При конструировании предусматривается возможность обеспечения наибольшей компактности и надежности сложных приборов.
В основу системы электромеханических модулей и выбора их
оптимального типоразмерного ряда положены следующие исходные теоретические и практические положения:
– теория механизмов и машин;
– базовый метод конструирования;
– типовые размеры электромеханических устройств приборов,
рассчитанные исходя из оптимальных типоразмерных рядов;
– электрические и кинематические схемы приборов;
– предпочтительные ряды чисел и нормальные линейные размеры;
– покупные комплектующие изделия электромеханических
устройств, применяемые в приборах;
– классификация электромеханических устройств приборов.
Предполагается, что разрабатываемые приборы будут состоять
из электромеханических модулей с типовыми геометрическими
размерами, выбранными в основном по ряду R�����������������
������������������
40 предпочтительных чисел.
Это позволит разработчикам использовать значения параметров
типоразмерного ряда в ходе проработки конструкции электромеханических частей приборов из конструктивно-типовых и функционально законченных электромеханических узлов.
82
Библиографический список
1. Парфенов Е. М., Чанцев В. В. Электромеханические устройства РЭА. М., 1972.
2. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. Т. 2 / Под общ.
ред. И. П. Копылова, Б. К. Клокова. М., 1989.
3. Парфенов Е. М., Афанасенко В. Ф. Базовый принцип конструирования РЭА. М., 1981.
4. Пестряков В. Б. Конструирование радиоэлектронной аппаратуры. М., 1969.
5. Перспективы развития конструкций комплектных устройств
в Х���������������������������������������������������������
II�������������������������������������������������������
пятилетке / А. М. Федоров. Автоматизированный электропривод. М., 1990.
6. Типовая методика оптимизации многомерных параметрических рядов. М., 1975.
7. Пасько Н. И. Построение рядов типоразмеров с помощью математических решений // Стандартизация. 1965. № 3.
8. Экономика стандартизации. М., 1970.
9. Бахвалов Н. С. Численные методы. М., 1973.
10. Кожухин Г. И. Стандартная программа нахождения корней полинома n-й степени методом Мюллера. Новосибирск, СО АН
СССР. 1964.
11. Харинский А. Л. Основы конструирования элементов радиоаппаратуры. Л., 1971.
12. Проектирование электрических машин: учеб. пособие для
вузов / И. П. Копылов, Ф. А. Горяинов, Б. К. Клоков и др.; Под ред.
И. П. Копылова. М., 1980.
13. Сергеев П. С. и др. Проектирование электрических машин.
М., 1969.
14. Штелтинг Г., Байссе А. Электрические микромашины: пер.
с нем. М., 1991.
15. Микроэлектродвигатели для систем автоматики (технический справочник) / Под ред. Э. А. Лодочникова, Ф. М. Юферова.
М., 1969.
16. Хрущев В. В. Электрические машины систем автоматики.
Л., 1985.
17. Левин И. Я. Справочник конструктора точных приборов. М.,
1967.
18. Мещерин В. Т. Листовая штамповка. Атлас схем. М., 1975.
83
19. Гусев А. Н., Линц В. П. Холодноштамповочное оборудование
и его наладка. М., 1967.
20. Технологическая оснастка для холодной штамповки, прессования пластмасс и литья под давлением. Каталог-справочник /
Под ред. В. Д. Корсакова М., 1967.
21. Филатов В. И. Технологическая подготовка производства
пластмассовых изделий. Л., 1967.
22. Видгоф Н. Б. Точечное литье термопластов. Л., 1961.
23. Рогозин А. И. Слесарь-инструментальщик. М., 1966.
84
Содержание
Предисловие.....................................................................
1. Система электромеханических модулей.............................
Контрольные вопросы................................................
2. Критерии оптимизации параметрических и типоразмерных
рядов...............................................................................
2.1. Критерий минимума затрат при разработке,
изготовлении и эксплуатации .........................................
2.2. Критерий минимума затрат с учетом потерь
потребителя на адаптацию..............................................
2.3. Критерий максимума среднего экономического
выигрыша....................................................................
Контрольные вопросы................................................
3. Методы решения задач оптимизации типоразмерных рядов
электромеханических модулей............................................
3.1. Оптимизация типоразмерных рядов с помощью
вычислительной техники................................................
3.2. Упрощенный метод решения задачи оптимизации........
Контрольные вопросы................................................
4. Методы конструирования приборов...................................
4.1. Геометрический метод..............................................
4.2. Машиностроительный метод.....................................
4. 3. Топологический метод.............................................
4.4. Метод проектирования моноконструкций...................
4.5. Базовый метод конструирования................................
4.6. Эвристический метод конструирования......................
4.7. Метод автоматизированного конструирования.............
Контрольные вопросы................................................
5. Методы конструирования электромеханических устройств
приборов...........................................................................
5.1. Назначение.............................................................
5.2. Классификация ......................................................
5.3. Условия эксплуатации.............................................
5.4. Технические требования...........................................
5.5. Методы конструирования.........................................
Контрольные вопросы................................................
6. Размерная и функциональная взаимозаменяемость.............
3
6
9
10
13
13
14
16
17
17
20
24
25
25
25
26
27
27
28
29
29
30
30
30
31
32
33
34
35
85
6.1. Метод ограничения..................................................
6.2. Метод типизации.....................................................
6.3. Агрегатирование .....................................................
Контрольные вопросы................................................
7. Классификация и конструкции электромеханических
модулей............................................................................
7.1. Электродвигатели....................................................
7.2. Редукторы..............................................................
7.3. Электромагнитные муфты.........................................
Контрольные вопросы................................................
8. Конструкторская документация на ряд электродвигателей...
8.1. Методика расчета основных размеров магнитной цепи
обмотки возбуждения электродвигателя ...........................
8.2. Конструкция ряда электродвигателей.........................
Контрольные вопросы................................................
9. Конструкторская документация на универсальный
редуктор...........................................................................
9.1. Расчет основных деталей редуктора и угловой
погрешности.................................................................
9.2. Конструкция универсального редуктора.....................
Контрольные вопросы................................................
10. Разработка требований к составу и характеристикам
специальной технологической оснастки................................
10.1. Состав специальной технологической оснастки..........
10.2. Характеристики специальной технологической
оснастки.......................................................................
Контрольные вопросы................................................
11. Изготовление необходимой специальной технологической
оснастки...........................................................................
11.1. Изготовление штампов...........................................
11.2. Изготовление литьевых форм...................................
Контрольные вопросы................................................
12.  Изготовление макетных образцов отдельных узлов
электромеханических модулей............................................
12.1. Изготовление макетных образцов узлов
электродвигателя ДСО32................................................
12.2. Изготовление макетных образцов отдельных узлов
электродвигателей ДСК25...............................................
86
35
35
36
36
37
37
39
40
40
41
41
56
57
58
58
61
61
62
62
63
66
67
70
71
73
74
74
77
12.3. Изготовление макетных образцов корпуса и блоков
шестерен редуктора........................................................
Контрольные вопросы................................................
Заключение......................................................................
Библиографический список.................................................
80
81
82
83
87
Учебное издание
Козлов Валерий Викторович
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ
В ПРИБОРОСТРОЕНИИ
Учебное пособие
Редактор А. В. Подчепаева
Верстальщик С. Б. Мацапура
Сдано в набор 18.01.10. Подписано к печати 03.03.10.
Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 5,5.
Уч.-изд. л. 5,1. Тираж 100 экз. Заказ № 76.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
13
Размер файла
1 800 Кб
Теги
kozlovindd
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа