1.4 Постановка задачи на проектирование мобильной автоматизированной системы окрашивания
Модель первой версии мобильной автоматизированной системы окрашивания МАСО-1 должна обладать следующими параметрами и характеристиками:
· система должна обеспечивать окрашивание в декартовой системе координат в одной плоскости размером 2800Ч2800 мм2;
· масса не должна превышать 500 кг для обеспечения мобильности;
· размеры конструкции не должны превышать 4000Ч4000Ч4000 мм3;
· механизм системы должен обеспечивать скорость окрашивания системы не менее 0,1 м/с;
· точность окрашивания должна варьироваться в пределах от -10 мм до +10 мм;
· ареола окрашивания должна составлять не менее 100 мм по ширине;
· система управления должна быть проста в эксплуатации и программировании задания на окрашивание;
· интерфейс системы управления должен быть простым и понятным.
2. Разработка конструкции мобильной автоматизированной системы окрашивания
2.1 Разработка конструкции
Исходя из требований к проектируемой системе окрашивания - окрашивание предметов в одной плоскости размером 2800Ч2800 мм2, мобильность конструкции - конструкция МАСО-1 не должна быть громоздкой, состоять из небольшого количества элементов составных частей, проста в сборке и иметь массу менее 500 кг для удобства транспортировки, двигатели (сервоприводы) должны обеспечивать скорость передвижения пульверизаторов со скоростью не менее 0,1 м/с. Таким образом, было принято решение создать перекрестие из трех рельсовых алюминиевых профилей (для облегчения массы), стоящих на опоре, которая уменьшает парусность всей конструкции, внутри профилей разместить червячный вал, вращающийся с помощью сервоприводов, по которым будут перемещаться челноки с внутренним резьбовым соединением под червячный вал для закрепления одного из профилей и системы пульверизаторов. Данная конструкция, спроектированная при помощи САПР SolidWorks 2013 изображена на рисунке 4.
Рисунок 4 - Конструкция мобильной автоматизированной системы окрашивания МАСО-1, спроектированная при помощи САПР SolidWorks
Червячный вал спроектирован из конструкционной легированной стали марки AISI 4340 (ближайший отечественный аналог 40ХН2МА) и имеет массу, рассчитанную в SolidWorks - 38,92 кг. Винтовая передача с большим шагом резьбы в паре с челноком обеспечивает большее перемещение челнока (гайки), зацепляющейся за рельсы на алюминиевом профиле [4]. Такое решение было выбрано исходя из простоты конструкции, минимального количества деталей данной передачи, а также относительной надежности перед шарико-винтовой передачей, использующейся в основном в ЧПУ, червячной передачи, использующейся в редукторах и так далее.
Червячный вал имеет следующие параметры:
Длина: 3000 мм;
Диаметр (внешний диаметр резьбы): 50 мм;
Тип резьбы: трапецеидальная;
Внутренний диаметр резьбы: 25 мм;
Шаг резьбы: 50 мм;
Высота рабочего профиля резьбы: 12,5 мм.
Челнок изготовлен и спроектирован из алюминия 6063-Т6 (ближайший отечественный аналог AD31) для облегчения массы конструкции, надетый на гайку из стали марки AISI 4340, имеющую параметры резьбы, специально подобранные под червячный вал, а также параметры, подобранные под пазы рельс на профиле, имеет массу 6,34 кг. Область рабочей поверхности для крепления профиля и модулей с краскопультами имеет размеры 200Ч200 мм.
Материал алюминиевого профиля, по которому движется челнок, был выбран тот же, что и при проектировании челнока, для сохранения жесткости конструкции и уменьшения общей массы. Общая толщина профиля 10 мм, за исключением ребер жесткости, где толщина немного больше, расположенных по всей длине по углам профиля, а также рельс. Длина составляет 3020 мм, что позволяет оставить рабочий ход челнока в приделах от 0 мм до 3000 мм, ширина 200 мм точно совпадает с шириной челноков, на которых крепится один из профилей, а высота 120 мм, это позволяет расположить внутри профиля червячный вал, вал, выходящий из двигателя и подшипник. В дальнейшем планируется спроектировать профиль таким образом, чтобы при производстве он состоял из нескольких частей для его унификации при использовании системы окрашивании на более крупных или мелких объектах работ. Масса профиля составляет 47,71 кг.
Передача вращательного движения осуществляется сервоприводами TC 100 8 15, расположенными на верхних частях профилей, общая масса каждого сервопривода равняется 7,3 кг [5]. Сервоприводы для модели SolidWorks были спроектированы с полной точностью размеров, исходя из паспортных данных на сервопривод.
Червячный вал, закрепленный на валу сервопривода, удерживается при помощи подшипника, расположенного с противоположенной от двигателя стороны на профиле, имеющий радиус 70 мм и толщину 10 мм.
Часть конструкции в сборе с профилем, червячным валом, двигателем, челноком и подшипником крепится за профиль крайними сторонами профиля к челнокам, закрепленных на перпендикулярно расположенных двух других профилях. Схема крепления данных элементов представлена на рисунке 5.
Рисунок 5 - Схема крепления перпендикулярно расположенного профиля, челнока и червячного вала
Вся конструкция в сборе крепится к опоре, повышающей устойчивость и изготовленной из алюминиевого сплава, общий вес которой составляет порядка 150 кг, при условии изготовления из трубчатых материалов.
Общая масса конструкции после проектирования без учета опоры составила 278,15 кг, с учетом опоры - порядка 430 кг, что полностью удовлетворяет условиям, предъявляемых к проектированию системы.
Иллюстрацию отдельно изображенных составных частей конструкции за исключением подшипника и опоры можно увидеть на рисунке 6.
Рисунок 6 - Верхний ряд слева направо - челнок, червячный вал
Нижний ряд слева направо - профиль, сервопривод
2.2 Обоснование выбора электронных составляющих элементов системы
Полученные данные при проектировании конструкции мобильной автоматизированной системы окрашивания МАСО-1 позволяют выбрать комплектующие, подходящие по массогабаритным параметрам, подъемной силе, скорости вращения и перемещения. Исходя из результатов расчета в SolidWorks, получились следующие значения: для движения челнока, к которому крепится система из пульверизаторов, по червячному валу необходимо подобрать вращательный двигатель (сервопривод), способный крутить массу в 45,22 кг, а для движения профиля, который крепится на два других челнока необходимо подобрать двигатель, способный поднять 92,93 кг. Но, т.к. во втором случае в конструкции установлены два одинаковых профиля, то мы имеем возможность установить два двигателя, по одному на каждый червячный вал, выставить челноки на одинаковом расстоянии от верхних кромок профилей, чтобы размещенный на них профиль был перпендикулярен двум другим. Синхронизировав два этих двигателя между собой и программно задав им одинаковую скорость вращения можно добиться перераспределения крутящего момента между этими двигателями и выбирать их так, чтобы каждый из них мог поднять массу в 46,47 кг. Исходя из этого и взяв небольшой запас, можно сказать, что необходимо взять двигатель, у которого номинальный крутящий момент будет не менее 5 Н•м.
Основываясь на моменте, массогабаритных параметрах и унификации системы, для каждого червячного вала были выбраны одинаковые цифровые сервоприводы компании Motor Power Company модели Tetra Compact TC 100 8 15 [5].
Данный сервопривод обладает следующими техническими характеристиками:
Пусковой крутящий момент - 8 Н•м;
Максимальный крутящий момент - 33 Н•м;
Номинальный крутящий момент - 5 Н•м;
Номинальное напряжение - 400 В;
Номинальная выходная мощность - 1750 Вт;
Номинальная скорость вращения - 3000 об/мин;
Точность выставления - 0,2°;
Максимальная скорость вращения - 5000 об/мин;
Момент инерции - 0,8 кг•см2;
Масса сервопривода - 7,3 кг;
Размеры сервопривода: - 100Ч100Ч205 мм.
Ниже, на рисунке 7 приведен график зависимости кутящего момента (Н•м) от скорости вращения (об/мин) сервопривода Tetra Compact TC 100 8 15.
Рисунок 7 - График зависимости кутящего момента от скорости вращения сервопривода TC 100 8 15
Линейная скорость движения челнока (пульверизаторов, закрепленных на челноке) должна быть не менее 0,1 м/с. Исходя из характеристик сервопривода TC 100 8 15, номинальная скорость вращения которого составляет 3000 об/мин, шаг резьбы равен одному обороту червячного вала, движущегося с одной скоростью выходного вала сервопривода равен 50 мм. Таким образом, номинальная линейная скорость системы, состоящей из резьбовой передачи червячного вала с челноком и сервоприводом, составит 150000 мм/мин или 2,5 м/с, что в 25 раз больше минимально допустимой скорости. Следовательно, учитывая, что данный сервопривод управляется контроллером, то, исходя из условий окрашивания, можно будет программно управлять скоростью вращения выходного вала двигателя (линейной скоростью перемещения челнока с пульверизаторами) [6].
Взяв во внимание, что сервопривод TC 100 8 15 не может управляться без помощи драйвера сервопривода и контроллера, следует выбрать их из условия корректной работы всех узлов системы и их совместимости.
В решении данного вопроса, выбор пал на контроллер Basic PRO 5A G2-(1X 2X) той же компании Motor Power Company, которая производит необходимые в системе сервоприводы. Данные контроллеры оптимизированы для работы с бесщеточными сервомоторами TETRA COMPACT и способны работать с прямым приводом линейного и крутящих моментов. Контроллеры объединяют в себе протоколы связи Modbus и CANopen и управляют TTL-кодером, преобразователем и абсолютным многооборотным кодером. Basic PRO 5A G2-(1X 2X), представленный на рисунке 8, позволяет одновременно обслуживать сразу до двух сервоприводов, что позволяет сократить количеств используемых контроллеров. робот мобильный интерактивный интерфейс
Рисунок 8 - Контроллер Basic PRO 5A G2-(1X 2X)
Basic Pro является мощным контроллером со встроенным драйвером сервопривода, который работает с цифровой информацией, скоростью, координатами, в сочетании с синхронными бесщеточными двигателями и сервоприводами с постоянными магнитами. Он имеет гибкую синусоидальную систему с векторным контролем, может работать как автономное устройство или как часть многоосевой сети в распределенной конфигурации. Контроллер настраивается с использованием программного обеспечения Motor Power Company Basic PRO GU. Это приложение на базе Windows позволяет быстро и просто запрограммировать сервопривод под необходимые задачи, но также имеет разъем RS 232, шину CANOPEN 301 и 402, MODBUS, что позволяет его программировать любым другим способам с использованием данных каналов связи, например, таким как программный комплекс LabVIEW от компании National Instruments. Блок схема управления контроллером Basic Pro изображена на рисунке 9, а схема подключения двигателя TC 100 8 15 к контроллеру на рисунке 10, где U, V, W - фазы двигателя, PE - заземление, а М - сервопривод.
Рисунок 9 - Блок-схема управления контроллером Basic PRO 5A G2-(1X 2X)
Рисунок 10 - Схема подключения двигателя TC 100 8 15 к контроллеру
2.3 Обоснование выбора составляющих элементов системы окрашивания
Исходя из требований к систем окрашивания МАСО-1, необходимо выбрать пульверизаторы таким образом, чтобы обеспечивалась область окрашивания в 100 мм2, необходимо выбрать профессиональные краскопульты, устанавливаемые на роботы-манипуляторы, а также систему подачи сжатого воздуха. Наиболее оптимальным способом нанесения лакокрасочных материалов является электростатическое нанесение.
При нанесении ЛКМ электростатическим способом частицам краски, наносимой пульверизатором придается отрицательный заряда, вследствие чего они притягиваются и осаждаются на положительно заряженное изделие. Этот метод хорош для отделки изделий сложной формы, решетчатых конструкций, например стульев.
Производительность такого способа нанесения ЛКМ крайне высока, при минимальных потерях. При использовании стационарных установок процесс почти полностью автоматизирован. Санитарно-гигиенические условия труда хорошие.
К недостаткам данного способа относится ограниченный ассортимент применяемых ЛКМ, не всегда равномерное их нанесение на все поверх-ности отделываемого изделия, сложность и высокая стоимость аппаратуры и обслуживания.
Распыление ЛКМ при электроокраске возможно пневматическим, гидравлическим, центробежным и электростатическим способами. Последний способ осуществляется в постоянном электрическом поле высокого напряжения (50 -140 кВ), а изделие при этом заземляют. При электроокраске происходят следующие электрофизические процессы: зарядка ЛКМ, его распыление, образование факела, движение капель жидкости к изделию, осаждение их на изделии.
Для реализации данного проекта, с целью унификации и простоты конструкции, было принято решение использовать готовую конструкцию компании RANSBURG Ransburg No.2 для нанесения лакокрасочных материалов с помощью центробежных сил и сил электрического поля.
Принцип работы данной установки схож с «турбодиском». На вращающийся диск поступает лакокрасочный материал, стекая на край диска с помощью центробежной силы, разбрызгиваясь маленькими аэрозольными частицами. Непосредственно на диске происходит заряд краски через скользящий контакт. Окрасочный факел формируется под действием электромагнитных сил, и краска притягиваются к заземлённому металлическому изделию, обеспечивая равномерный слой и высокое качество окраски.