Мехатронные модули линейного движения

Мехатронные модули линейного движения строят на базе линейных двигателей (ЛД). Для линейных перемещений в станках до недавнего времени использовался привод подач с электродвигателем вращательного движения и механическими передачами, преобразующими вращательное движение в прямолинейное поступательное (зубчатая рейка, шариковая винтовая пара и др.). С целью исключить необходимость использования механических передач в приводе подач и реализовать концепцию приводов прямого действия возникла идея создать линейный двигатель, развернув статор 1 и ротор 2 электродвигателя вращательного движения на плоскости (рис. 2.39, а). Таким образом в одном мехатронном узле конструктивно объединяются приводной и исполнительный элементы привода. Обычно на подвижной части (рабочем органе станка — суппорте, столе и др.) располагают электромагниты 3 (рис. 2.39, б), а на направляющих (неподвижной части) — постоянные магниты 4. Движение в ЛД возникает благодаря взаимодействию магнитных полей постоянных магнитов и электромагнитных катушек, т.е. происходит непосредственное преобразование энергии в линейное движение

Модули линейного движения на базе плоских и пазовых линейных двигателей (Л).

Инструментальная головка.

План-супорт

Шарнирный узел.

Исполнительный узел

Главного движения

Мотор шпиндель

Мотор редуктор

Электра- шпиндель

Координатно -силовой стол.

Мехатронное устройство

Система управления

Вспомогательных механизмов

Регулируемый элек. привод.

Автономная система

Станочный узел.

Мотор редуктор.

Замкнутая по положению.

Модуль линейного движения.

С планетарной передачей.

С волновой передачей

Плоский шпиндельный двигалтель

Цифровая на базе микропроцессора.

С программируемой памятью.

Пазовый линейный двигатель

Поворотный стол.

электромеханизм

38. Какие конструктивные особенности электродвигателей для прямого привода обеспечивают низкую скорость их вращения и высокое значение развиваемого момента? Какие типы двигателей используются для этого?

Использование двигателей прямого привода подразумевает невозможность использования преобразователей движения (редукторов). Чтобы получить необходимую низкую скорость вращение и высокое значение момента в электродвигателях увеличивают количество полюсов статора. Использовать для этого можно любые электродвигатели, но предпочтительнее двигатели постоянного тока и вентильные двигатели, потому что ими проще управлять с технической точки зрения.

44. Какие Вы знаете методы и особенности применения трафаретной и контактной печати при изготовлении толстопленочных интегральных микросхем?

Технология изготовления толстопленочных ИМС.

Толстопленочные ИМС – ИМС, в которых … изготавливают путем нанесения на поверхность подложек различных по составу паст с последующим их сжиганием, т.е. пассивные элементы формируют из пленок толщиной более 1 мкм (5-25 мкм).

Технологический процесс изготовления толстопленочных ИМС более прост, чем процесс изготовления тонкопленочных, т.к. не требует наличия вакуума и сложного оборудования. Полученные таким способом ИМС обладают более высокой надежностью и могут быть рассчитаны на относительно большие мощности рассеивания.

Недостатки толстопленочных ИМС:

- необходимость в операции вжигания;

- высокая стоимость некоторых паст;

- сложность получения четкого рисунка схемных элементов;

- низкая точность номинального значения полученных элементов (15-20%). Поэтому при изготовлении элементов необходима их дальнейшая подгонка к номинальному значению.

Методы подгонки элементов:

- механическое соскабливание;

- обработка абразивом;

- импульсным и высокочастотным напряжением;

- лазерным лучом.

Процесс изготовления начинают с подготовки поверхности подложки и трафаретов. Затем на подложку наносят требуемый рисунок слоя. После очередного цикла нанесения слоя последний обжигают для закрепления его на подложке и придания заданных свойств материалу слоя. Поскольку температура обжига проводящих, резистивных и диэлектрических паст различна, последовательность нанесения слоя должна быть вполне определенной. В первую очередь наносят … проводящую пасту, образующую проводники, нижние обкладки конденсаторов. Затем наносят пасту для диэлектриков конденсаторов и изоляции возможных пересечений проводников. Третьим слоем наносят верхние обкладки конденсаторов и пересекающиеся проводники. После нанесения пасты на керамическую подложку необходимо некоторое время для ее усадки. Это время зависит от типа пасты и колеблется от 5 до 15 мин. После этой процедуры пленки сушат в печах при t=100~150 град. После сушки пленки подвергают операции вжигания. Для этого используют конвейерные печи с непрерывной загрузкой.

Существует 2 метода нанесения пленок: трафаретная печать и контактная печать.

Трафаретная печать – продавливание пасты через отверстия трафарета на подложку, которая удерживается с помощью вакуумного присоса. Толщина осаждаемого материала зависит от толщины применяемого трафарета и характера заполнения пустот. На процесс печати влияет состав пасты, качество, конструкция и тип трафарета и ряд других факторов. По мере продвижения ракеля паста заполняет открытые участки трафарета, если их нет, то паста с него стирается. После прохождения ракеля в место нанесения пасты трафарет отходит от поверхности подложки. Паста под действием давления входит в контакт с подложкой и прилипает к ней.

Давление на пасту, возникающее при перемещении раковин, зависит от скорости перемещения, угла его наклона, поверхности трафарета и плотности прилегания раковин к трафарету. От сочетания этих элементов зависят толщина печатных элементов, их четкость и воспроизводимость. Объем пасты, наносимой на подложку, зависит от конструкции трафарета и от размера ячейки. Размер ячейки стандартизирован (42, 62, 80, 130, 160 ячеек/см²). Для точного воспроизведения геометрии линии рекомендуется применять более мелкую сетку. Для получения однородной толщины пленок – более крупную.

Метод контактной печати – разновидность трафаретной печати. Отличие в том, что в процессе печати трафарет контактирует с поверхностью подложки. Отделение трафарета от подложки происходит по окончании одного прохода ракита. При данном методе печати трафарет практически не растягивается. Метод контактной печати разработан для использования металлических масок. Четкость элемента при печати с маской выше, чем при трафаретной печати. Маски целесообразно использовать для получения элементов шириной до 0,1 мм.

Недостатки: засорение изображения, трудность очистки, хрупкость, высокая стоимость. Кроме того, маски имеют ограниченное применение в отношении конфигурации рисунка. В основном их используют для относительно простых рисунков и тонких линий.

Материалы для толстопленочных ИМС.

Основные требования к подложкам: выдерживать высокую температуру, обладать хорошими диэлектрическими свойствами, иметь хорошую адгезию с материалами паст. Распространенный материал для подложек – керамика.

Изготовление керамических подложек состоит из следующих операций: исходный материал отформовывают, подвергают тепловой обработке (сушке, предварительный и окончательный обжиг).

Формование производят двумя способами: прессование влажного порошка и литье. В зависимости от способа формовки, а также от состава керамической смеси при обжиге получается усадка.

Перед нанесением пасты подложки промывают и прокаливают в печах при t=600-700 град. С. Пасты применяются в идее тщательно перемешанных составов, отличающихся высокой вязкостью и состоящих из порошков благородных металлов, их окисей и стекловидной связки, суспензированных в органических растворителях. В процессе изготовления пасту наносят на подложку через трафарет, подсушивают и обжигают в конвейерной печи. В процессе обжига органическая связка выгорает, а стеклянный порошок, имеющий t плавления от 400 до 600 град С, смачивает частицы пасты и при охлаждении обеспечивает их склеивание между собой и керамической подложкой.

В качестве проводящих составов используют смеси 12% палладия, 75% золота и серебра. Такие составы имеют хорошую адгезию.

Пасты для резисторов.

Диэлектрические пасты используются в качестве герметизирующих покрытий, межслойной изоляции и диэлектрика конденсатора. Состоят из специальных стекол (боросиликат свинца, силикат свинца-циркония).

Для трафаретной печати трафареты изготавливают на основе шелковой, нейлоновой или металлической сетки. Сетка из нерж. стали получила наибольшее распространение.

45 вопрос.Представьте упрощенную структурную схему реверсивного тиристорного преобразователя с трехконтурным регулированием выходных координат. Поясните назначение каждого контура и задачи регуляторов в схеме подчиненного регулирования, а также возможные режимы адаптации регуляторов при превышении уровня входного сигнала, сигнала рассогласования.

Для анализа приводных систем часто последний представляется в виде структуры:

На представленной структурной схеме можно выделить три контура регулирования выходных координат. Первый контур тока второй контур скорости, третий контур положения.

Каждый контур условно обеспечивает выходную координату и имеет предметный регулятор.

Такой принцип построения структурных схем для анализа электромеханических систем называют принципом подчинённого регулирования.

Стабилизация системы управления по контролируемым координатам обеспечивается соответствующими настройками регулятора скорости, регулятора тока, где могут быть изменены:

Коэффициент усиления регулятора.

Фазачастотная характеристика регулятора

Поскольку система работает в режиме пуска поддержания скорости и торможения что реализуется изменением U_з то в системе может быть два режима:

U_з =U_з ^‘; Ω = 0

U_{ос Ω} = 0; U’=U’_з = U_{з max}

В настоящее время для исключения случаев подачи в систему управления максимального сигнала систему снабжают схемой внутренней адаптации. При этом исключаются удары в системе, что обеспечивает благоприятную работу в системе.

Построим выходную характеристику регулятора скорости РС (на операционном усилителе.)

Если U’≤U’₀ то , то

Если то

Анализ двух режимов работы ЭМС при различных амплитудах управления различными сигналами позволяет заключить:

Все системы управления мехатронными объектами предусматривает внутреннюю адаптацию к ошибочности амплитуды подаваемого сигнала, что приводит к изменению коэффициента усиления информационного канала.

При разработке новых систем управления часто вводят внешнюю адаптацию управляющего сигнала и соответствующие координаты.

Указанный вид адаптации кроме внутренней передаёт механическим характеристикам ЭМС характер стопорения.

(0,1-0,2)*Iн

Iст

Iн

Ωн

Назначение регулятора скорости регулятора тока заключается в коррекции фазочастотныххарактеристик а в целом коррекции всей ЭМС.

В зависимости от параметров С₁R₁ , С₂ R₂ .

Т.е. от параметров И, П, ПИ, ПИД – регулятора формируются переходные процессы ЭМС.

50. Предложите схемотехническое решение по защите полупроводниковых силовых приборов от перенапряжений в схеме тиристорного преобразователя, работающего на двигатель постоянного тока с параметрами: Uя = 400 В. В схеме применены тиристоры Т-112-10-2 и силовой трехфазный трансформатор с нулевой точкой.

ПримемU_тн =200 В тогда

В каждой цепочке нужно поставить по 3 тиристора

U_пер – напряжение переключения каждого тиристора

U_max = (1,5 * 1,6)*U_пер

Для тиристора Т-112-10-2:U_пер= 200 В

U_max = (1,5 * 1,6)*U_пер = 300 В

63 Приведите классификацию МС по принципу управления. Дайте конкретные примеры.

Классификация мехатронных систем по принципу управлению:

§ Антропоморфный – действия этих систем контролируется человеком(станок, автомобиль)

§ Мехатроные системы с цеклическим управлением в котором однотипные простые действия многократно выполняются по алгоритму заложенному в память.(конвейер)

§ С модифицируемой программой управления т.е. алгоритм работы такой системы можно заменять выбирая из набора программ хранящихся в памяти(робот)

§ Мехатроные системы работающие по принципу воспроизведение программ работу которых предварительно отлаживает оператор путем тренировок и обучений. Пример(Показует траекторию движения манипулятора который робот в последствии многократно сомостоятельно выполняет)

§ Интеллектуальный – осуществляется сбор информации об изменениях исходящей окружающей среде и связи с этим вносит коррективы в окружающей среде