РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАТРОННОГО МОДУЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

АННОТАЦИЯ

На сегодняшний день экономика страны все больше заинтересована в развитии отечественного производства, а потому, все чаще государство разрабатывает программы поддержки конструкторов и инженеров, выделяя ГРАНТы на новые разработки и технологические решения. Использование мехатронного модуля систем управления сложных технологических объектов соответствует требованиям времени.

Одним из элементов проектирования сложных технических систем является проблема различных аспектов их моделирования. Каждая сложная мехатронная система определяется как комбинация трех составных подсистем, а именно механической системы, системы управления и программного обеспечения. В связи с этим важно создать мехатронную функцию столь сложного технического средства с помощью средств, позволяющих ее моделировать. Сделав обзор основных исследований по рассматриваемой теме, можно отметить, что отечественные и зарубежные авторы склоняются к утверждению, что исследование мехатронного модуля систем управления позволит усовершенствовать существующие сложные механические системы и оптимизировать их работу.

Статья посвящена изучению новых конструктивных решения в вопросах автоматизации электромеханических компонентов за счет внедрения роликового винтового механизма. Сравнивая шариково-винтовой и роликово-винтовой механизмы, можно отметить, что для РМВ доступен метод моделирования, учитывающий направления винтовой и роликовой резьбы, которые полезны для дальнейшего исследования. В то же время, высокая стоимость оборудования по-прежнему определяет выбор в сторону шариково-винтовых механизмов.

ABSTRACT

Today, the country's economy is more and more interested in the development of domestic production, and therefore, more and more often, the state is developing programs to support designers and engineers, allocating GRANTS for new developments and technological solutions. The use of a mechatronic module for control systems of complex technological objects meets the requirements of the time.

One of the design elements of complex technical systems is the problem of various aspects of their modeling. Each complex mechatronic system is defined as a combination of three constituent subsystems, namely mechanical system, control system and software. In this regard, it is important to create a mechatronic function of such a complex technical tool with the help of tools that allow it to be modeled. Having reviewed the main studies on the topic under consideration, it can be noted that domestic and foreign authors are inclined to assert that the study of the mechatronic module of control systems will improve existing complex mechanical systems and optimize their work.

The article is devoted to the study of new design solutions in the automation of electromechanical components through the introduction of a roller screw mechanism. Comparing ball screw and roller screw mechanisms, it can be noted that for the RWM, a modeling method is available that considers the directions of the screw and roller threads, which are useful for further research. At the same time, the high cost of equipment still determines the choice towards ball screws.

The purpose of the work is to consider research on the development of a mechatronic module for control systems of complex technological objects.

The main research methods are: comparison and analogy, as well as analysis and synthesis of the collected information.

Ключевые слова: мехатронная модульная система, Ролико-винтовой механизм (РВМ), модернизации электромеханического привода

Keywords: mechatronic modular system, Roller Screw Mechanism (RVM), electromechanical drive upgrades

Введение

Современное общество движется путем активного развития. В последнее время производители все больше внимания уделяют модульной технологии управления. Такой интерес объясняется тем, что модульная система предлагает ряд преимуществ, такие как гибкость, возможность развития, модернизация, расширение, более простая сборка, повторное использование деталей, сокращение времени выполнения заказа, техническое обслуживание и ремонт.

Отечественные и зарубежные специалисты все чаще рассматривают применение модульных систем в машиностроении, авиации, судоходстве и даже в дизайне. Кроме того, об актуальности рассматриваемой темы, так же говорит и то, что уже сегодня выпускаются машины нового поколения, управление которыми частично автоматизировано, а конструкторы заинтересованы в развитии этих технологий и переходу на полную автоматизацию электромеханических систем [8].

Цель работы в рассмотрении исследований по разработке мехатронного модуля систем управления сложных технологических объектов.

Материалы и методы

Основными методами исследования являются:

• метод диалектического материализма (предполагает изучение, исследование категорий (понятий) от простейших к более сложным);
• метод сравнения и аналогии;
• анализ и синтез собранной информации.

Обсуждение

Как отмечалось, в отечественной литературе вопрос внедрения модульных систем поднимается не один год. При этом, можно говорить, что мехатроника, как наука сложилась относительно недавно и для России еще 8-10 лет назад многие достижения в области автоматизации были неизвестны [14].

Салыкова О.К. и Щербин Е.В., отмечают, что новые конструкции и узлы, которыми оснащены мехатроные системы предлагают совершенно иные конструктивные решения в вопросах автоматизации электромеханических компонентов. Однако, в вопросах применения этих решений для отечественного производителя, ключевым остается их стоимость. А так как мехатнроные системы оказались дорогими в сборке и обслуживании, то и заняли место в таких областях, как авиастроение, космонавтика, а также там, где широко используется интеллектуальное управление [17].

И.М. Мамаев и В.Н. Филимонов провели ряд исследований и предложили несколько разработок по применению мехатронных модулей в авиастроение. Авторы отмечают, что именно роликовинтовой механизм (РВМ) в составе электромеханического привода (ЭМП) электрохимического станка обеспечивает преобразование и передачу нормированного углового перемещения своего центрального винта в соответствующее по точности прямолинейное возвратно-поступательное перемещение гайки-штока (ГШ) и закрепленного на нем электрода-инструмента (ЭИ) [13, с.19-25].

Коллектив исследователей, Толков А.В., Круглов А.В., Жданов А.В., Филимонов В.Н., Морозов В.В. провели исследование на долговечность ролико-винтового механизма в режиме обратного хода. И выявили, что мехатронная модульная система на базе РВМ повышает долговечность механизмов в 1,5 раза. Следовательно, применение таких систем в отечественной практике не только окажутся рентабельными, но также, за счет долговечности работы – окупаемыми [18].

Результаты

И так, роликовый винтовой механизм (РВМ) используется в различных устройствах передачи движения, где мощность передается путем преобразования вращательного движения в поступательное. Основными компонентами РВМ являются гайка, винт и ролики, а ключевыми компонентами трансмиссии являются ролики. РВМ находит свое применение в качестве приводного устройства в различных механизмах, таких как станки, медицинское оборудование, портовое оборудование корабля и оборудование управления полетом самолета [15].

Требования к конструкции формируются на основе предложенной модели жизненного цикла технического средства. Он включает в себя три фазы жизни технического средства: его формирование, существование и ликвидацию. В этом ракурсе рассматриваются пять общих требований, связанных с: технической потребностью, человеком, технической культурой, обществом и окружающей средой. Конструкторские решения созданы на основе концепции универсальной структуры технических средств. В структуру системы входят следующие компоненты: конструктивная система, система привода и система управления. Структурная система определяется как интегратор всей структуры сложного технического средства. Система привода является вторичной по отношению к структурной системе. Третьей по порядку систем является система управления. Он разрабатывается в последнюю очередь, поэтому он должен учитывать решения, разработанные для конструктивной системы и системы привода. Генерация конструктивных решений осуществляется по трем отличительным чертам конструкции: геометрической, материальной и динамической. Представленная методика проиллюстрирована на примере проектирования конкретного технического средства [6].

РВМ передает мощность и движение через точечный контакт между резьбовыми зубьями. Отношение движения компонентов в стандартной ПРСМ называется прямой передачей, то есть винт вращается вокруг своей оси, а гайка, как выходной компонент, движется вперед-назад вдоль оси. Как показано на рисунке 1, это структура стандартного РВМ, который в основном состоит из винта, гайки, ролика, зубчатого венца и держателя. Специфическая структура заключается в том, что винт и гайка обрабатываются как многозаходные; резьба на ролике изготавливается в один заход. Ролики будут участвовать в зацеплении двух типов зацепляющих пар (резьбовая пара и зубчатая пара) одновременно и равномерно распределяются вокруг винта водилом, а движение передается на гайку через «планетарное движение» ролик. Держатель не участвует в каком-либо зацепляющем движении, и его положение в движении контролируется пружинным фиксатором.

Рисунок 1 Структура стандартного РВМ[19]

При моделировании приняты следующие допущения:

1) многоточечный контакт между парами нитей резьбы в РВМ рассматривается как линейный контакт;

2) Зацепление между нитями упрощается как пружинный элемент в тангенциальном направлении в точке контакта, а жесткость пружины является контактной жесткостью нити;

3) Считается, что масса и момент инерции каждого ролика равны, и они равномерно распределены вокруг винта;

4) Резьбовые контактные жесткости каждого ролика с винтом и гайкой, а также жесткость зацепления с зубчатым венцом соответственно равны, и имеется только разность фаз;

5) Жесткость на изгиб винта, гайки и зубчатого венца по осям x и y. направления равны.

Динамическая модель изгибно-крутильной муфты РВМ, показанная на рисунке 2, θj ( j = s , r , n , Ri , c ) представляет собой угловое смещение винта, зубчатого венца, гайки, ролика и водила из-за вибрации системы. К компонентам с такими степенями свободы относятся винт, водило, зубчатый венец, гайка и N роликов, а число степеней свободы при кручении равно n + 4; x j, y j — смещение центра масс компонентов по осям x и y направлениях, и имеется шесть поступательных степеней свободы.

Рисунок 2. Изгибно-крутильная модель муфты РВМ [4]

В соответствии с соотношениями движений и при условии отсутствия проскальзывания между винтом и роликами линейная скорость точки контакта между роликом и винтом определяется, как показано на рисунке 2. Поскольку направление вращения гайки запрещено, линейная скорость точки контакта между роликом и гайкой равна нулю. Линейная и орбитальная скорости центральной точки ролика равны.

Роликовая шестерня входит в зацепление с зубчатым венцом. Проскальзывание между роликом и гайкой не допускается; однако всегда существует проскальзывание между винтом и роликом в осевом направлении. Соответственно, для случая ролико-винтового скольжения угловое движение составляющих можно разложить на две составляющие: относительное движение без вращательного скольжения и относительное движение с чисто вращательным скольжением. Как показано на рисунке 2, обозначает угловую дугу на поверхности гайки, которая находится в контакте с роликом в пределах одного оборота винта.

Таким образом, динамическая модель РВМ с ​​сосредоточенными массами в этой статье содержит в общей сложности (n + 10) степеней свободы. Зацепление между шнеком и роликом описывается пружинным элементом K sR .

Точно так же пружинные элементы K rR и K nR используются для представления зацепления между роликом и зубчатым венцом, а также между роликом и гайкой соответственно; Ksx и Ksy — жесткость винта на изгиб в двух направлениях, как показано в таблице 1.

Таблица 1.

Определение параметров разработки мехатронного модуля РВМ [12]

Поскольку ролик и гайка имеют разный шаг и эффективные диаметры, мы предполагаем, что осевое смещение ролика относительно гайки можно разложить на составляющие.

В соответствии с допущениями (1) и (2), чтобы упростить вывод относительного смещения, можно использовать для преобразования углового смещения винта, зубчатого венца, гайки, ролика и водила в смещение тангенциальной линии вокруг соответствующей оси положения точки контакта.

Относительное смещение между винтом и роликом можно получить, спроецировав виброперемещение винта и ролика на тангенциальное направление точки контакта на стороне контакта ролик-винт. Проекция смещения линии x _s и y _s центра масс винта на касательное направление точки контакта.

Относительное положение зубчатого венца и i - го ролика в состоянии зацепления даст положительное смещение, когда пружина создает деформацию сжатия, что эквивалентно зацеплению между зубчатым венцом и роликом.

Относительное смещение контакта между роликом и гайкой можно получить, спроецировав смещение между роликом и гайкой на тангенциальное направление точки контакта. Проекция поперечной линии смещения x _n и y _n центра масс гайки.

Рисунок 3 Состояние пар резьбы при относительном смещении

Как показано на рисунке 3, независимо от того, происходит проскальзывание между винтом и роликом или нет, опережение РВМ является постоянным из-за того, что ход винта не изменяется. Однако, если происходит проскальзывание, скольжение роликов может вызвать нежелательные моменты и нагрев из-за трения. Тепло от трения напрямую связано с эффективностью и потерями энергии в РВМ, а высокая температура от тепла вызовет ухудшение смазки и в конечном итоге приведет к механическому отказу РВМ.

Например, используя данные таблицы 1, можно выявить, что, при заходах и шаге винта 5 и 0,5 мм ходы одинаковых винтовых направлений винтовой нарезки и корпуса роликовой нарезки и обратного корпуса составляют 2,5 мм и 0,625 мм соответственно. Первое в четыре раза больше второго. Очевидно, что для получения более высокой точности передачи в практической структуре РВМ может применяться обратное спиральное направление. Если при механической обработке может быть получен меньший шаг, то в дальнейшем он может быть реализован. Следовательно, более высокая точность передачи может быть получена, если к РВМ применяются обратные спиральные направления винтовой и роликовой резьбы.

Кроме того, если сравнивать шарико-винтовой механизм и РВМ, то последний представляет собой точную передачу, которая обеспечивает наименьшее опережение за счет введения направлений резьбы. Однако, по сравнению с обычным шарико-винтовой передачей, доступ к маленькому шагу чрезвычайно затруднен из-за требований к грузоподъемности и точности передачи, а также из-за сложности конструкции возвратной трубы.

Выводы

Проведя аналитическое исследование разработок мехатронного модуля РМВ можно прийти к выводам, что для РМВ доступен метод моделирования, учитывающий направления винтовой и роликовой резьбы, которые полезны для дальнейшего исследования. В то же время, высокая стоимость оборудования по-прежнему определяет выбор в сторону шариково-винтовых механизмов. Но, все больше исследований посвящается вопросам использования роликово-винтовых механизмов, что подтверждает значимость данных разработок для всех агрегатов, работа которых основывается на электромеханическом приводе. 

Список литературы

1.  Bolton W. Mechatronics: Electronic Control Systems in Mechanical Engineering.URL:   https://www.researchgate.net/publication/31662336_Mechatronics_Electronic_Control_Systems_in_Mechanical_Engineering_W_Bolton(дата обращения: 01.11.2022).
2. Лысов В.Е., Пешев Я. И., Хамитов З. Х. Мехатронный модуль как объект системы автоматического управления // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2018. №4 (60). С.114-123
3. Мамаев И.М., Филимонов В.Н. Электромеханический привод с планетарным роликовинтовым механизмом для электрохимического станка с вибрирующим электродом // Известия вузов. Машиностроение. 2018. №8 (701). с.19-25
4. Мехатронная система. URL: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/mechatronic-system(дата обращения: 02.11.2022).
5. Мехатронные системы в управлении механическим движением и функциями технологических машин. URL: https://studref.com/501307/tehnika/mehatronnye_sistemy_upravlenii_mehanicheskim_dvizheniem_funktsiyami_tehnologicheskih_mashin(дата обращения: 03.11.2022).
6. Модельное прогнозирующее управление нелинейными мехатронными системами: приложение к магнитному пружинному демпферу. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780080446134500434(дата обращения: 01.11.2022).
7. Салыкова О. К., Щербинин Е.В. Развитие мехатроники как науки. URL: http://www.rusnauka.com/13_NPE_2017/Tecnic/11_224969.doc.htm(дата обращения: 03.11.2022).
8. Толков А.В., Круглов А.В., Жданов А.В., Филимонов В.Н., Морозов В.В. Исследования долговечности силового роликовинтового механизма электромеханического привода поступательного движения. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=18516(дата обращения: 02.11.2022).
9. Хабиб Ходер, Галина В. Верхова, Сергей В. Акимов Модульная технология в проектировании гибких сложных систем. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/modular-technology-in-design-of-flexible-complex-systems (дата обращения: 02.11.2022).
10. Alciatore D.G., HistandM.B.  Introduction to Mechatronics and Measurement Systems.URL: https://www.researchgate.net/publication/31732500_Introduction_to_Mechatronics_and_Measurement_Systems_DG_Alciatorre_MB_Histand(дата обращения: 01.11.2022).
11. Cairano Di S.  BemporadA.,KolmanovskyI., Hrovat D.Model Predictive Control of Nonlinear Mechatronic Systems: An Application to A Magnetically Actuated Mass Spring Damper.https://doi.org/10.1016/B978-008044613-4.50043-4 (дата обращения: 01.11.2022).
12. Radi B., Hami A.ElProbabilistic Study and Optimization of a Solder Interconnect. Analysis of Failures, Modeling, Simulation and Optimization.https://doi.org/10.1016/B978-1-78548-190-1.50007-4 (дата обращения: 01.11.2022).
13. CeccarelliM., OttavianoE., CarboneG. A Role of Mechanical Engineering in Mechatronics. Improving International Stability/https://doi.org/10.1016/B978-008045406-1/50003-3  (дата обращения: 01.11.2022).
14. Devdas S., Manzione L., Ali A. Survey of Mechatronic Techniques in Modern Machine Design.Article ID 932305 | https://doi.org/10.1155/2012/932305 (дата обращения: 01.11.2022).
15. GaoY., Wang Fei-Yue, XiaoZhi-Quan Mechatronic Design of Flexible Manipulators. Flexible Manipulators. 2021. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-397036-7.00006-4 (дата обращения: 01.11.2022).
16. Gwiazda А. System of Designing Complex Technical Means Using Fuzzy Analysis. DOI:10.4028/www.scientific.net/AMM.474.147 (дата обращения: 01.11.2022).
17. Gwiazda A., Banaś W., Sękala A., Ćwikła G., Sokół M., Foit K.Complex technical systems modelling and their mechatronics function simulation.IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 400 (2018) 042028 doi:10.1088/1757-899X/400/4/042028   (дата обращения: 01.11.2022).
18. Linner Т., Georgoulas С., Bock Т. Advanced Building Engineering: Deploying Mechatronics and Robotics in Architecture.June 2021Gerontechnology.11(2).DOI:10.4017/gt.2012.11.02.158.711(дата обращения: 01.11.2022).
19. MaS., Zhang T., Liu G.,Tong R., Fu X. Kinematics of Planetary Roller Screw Mechanism considering Helical Directions of Screw and Roller Threads. Article ID 459462 | https://doi.org/10.1155/2015/459462  (дата обращения: 02.11.2022).
20. Wrobel А., Płaczek М., Buchcz A., Majzner  M .Study of mechanical properties and computer simulation of composite materials reinforced by meta.URL:   https://www.researchgate.net/publication/276898906_Study_of_mechanical_properties_and_computer_simulation_of_composite_materials_reinforced_by_metal. DOI:10.1504/IJMPT.2015.068533 (дата обращения: 01.11.2022).
21. Wu, L.; Ma, S.; Deng, P.; Huang, Q. Research on the Modeling of Bending-Torsional Coupling and Vibration Characteristics of Planetary Roller Screw Mechanism. Electronics 2022, 11, 1395. https://doi.org/10.3390/electronics11091395 (дата обращения: 01.11.2022).