В статье описана разработка мехатронного узла токарного станка, с возможностью в автоматическом режиме контролировать скорость вращения электродвигателя узла по закону регулировании. Осуществлён выбор подходящих компонентов станка. Обеспечен высокий момент на шпинделе станка. Разработана система выходных параметров.

Ключевые слова: токарный станок, мехатронный узел, электродвигатель, закон регулирования.

Задача разработки данного мехатронного узла для токарного станка заключается в:

‒ увеличение работоспособности всей системы дереобрабатывающего станка.

‒ увеличение момента на шпинделе станка.

‒ осуществление контроля выходных параметров (число оборотов на шпинделе и на валу двигателя).

Данная разработка является модернизацией любого токарного станка, в котором нет мехатронных узлов или подобных систем управления, реализующую схожую задачу.

Работоспособность данной системы проверялась в сборке на стенде. Все вышеперечисленные задачи были реализованы и протестированы. Нужные параметры для станка получились вполне достаточными.

При необходимости есть возможность корректировки, что увеличит точность и надежность системы.

Сначала была решена задача по увеличению момента. Для этого была использована коробка скоростей с понижающей передачей. Это позволило в 15 раз увеличить момент на шпинделе, при этом скорость вращения уменьшилась в 10 раз.

Первая передача — Ременная, с вала двигателя на первый вал коробки скоростей:

Где (1.1) это формула расчета передаточного отношения ременной передачи. D1 и D2 диаметры шкивов в миллиметрах, ведущее к ведомому соответственно, то есть диаметр шкива двигателя к диаметру шкива на первом валу коробки скоростей. Дальше, идет передача с первого вала коробки скоростей на второй вал через зубчатую передачу.

Передаточное отношение так же рассчитывается по формуле:

где Z1 и Z2 — отношение числа зубьев колеса ведущего к ведомому.

Данная передача также является понижающей.

По результатам расчетов был собран стенд, включающий в себя основные компоненты разрабатываемого мехатронного узла (рис. 1).

Рис. 1. Чертеж стенда: 1- корпус коробки скоростей 2 — вал I и вал II 3 — колеса ременной передачи 4 — асинхронный двигатель 5 — подшипники качения 6 — решетчатое колесо датчика 7 — датчик скорости 8 — микроконтроллер 9 — колеса зубчатой передачи

Двигатель подобран под оптимальную работу стенда. Характеристики используемого двигателя: трехфазный асинхронный двигатель, номинальная мощность P_н=25 Ватт, номинальная частота вращения n_н=1300об/мин (обороты в минуту).

В численном передаточные отношения выглядят так:

i_рем==

i_зп==

Вращательный момент на валу двигателя:

где Pн — мощность двигателя в ватах, nн — номинальная частота вращения двигателя в оборотах в секунду.

Вращательный момент на валу недостаточен для работы на токарном станке, но подходит для проверки алгоритма управления.

Расчет момента и частоты вращения после всех передаточных отношений.

Частота вращения:

n=1300** =130об/мин

Вращательный момент на шпинделе после передаточных отношений:

где J — произведение ременной и зубчатой передачи,

М_ш=

Вращательный момент шпинделя в несколько раз выше, момента на валу двигателя, что позволяет выдерживать большую нагрузку без стопорения двигателя.

Система контроля скорости состоит из микроконтроллера Arduino UNO c использованием датчика скорости вращения FC-03.

Данный датчик состоит из светодиода (источника света) и фоторезистора (приемник света). При попадании непрозрачной платины между ними, происходит перекрывание источника света и фототранзистор закрывается. Каждое такое закрытие или открытие происходит из-за вращения решётчатого колеса стоящего на валу шпинделя. Программа микроконтроллера считывает эти закрытия и открытия фоторезистора и переводит их в скорость вращения. [1]

Структурная схема системы автоматического управления (рис.2):

Рис. 2. Структурная схема системы АУ:

1-Объект управления

2-Измерительный прибор

3-Исполнительный механизм

4-Регулирующий орган

Данную систему можно реализовать на любом токарном станке, увеличивая его показатели качества. Установка, сборка и наладка данной системы не занимает много времени и практически не требует особых навыков. Стоимость используемых электрических компонентов не превышает 1500 рублей.

Литература:

1. Датчик FC-03 // АрудиноКит. URL: arduinokit.ru/catalog/id/datchik-skorosti-vrascheniya (дата обращения: 29.05.2018)