Тема 4. Датчики, исполнительные механизмы,... механизмов, их достоинства и недостатки, ... с объектом.

Тема 4. Датчики, исполнительные механизмы, устройства связи с объектом.
-1-
Тема 4. Датчики, исполнительные механизмы, устройства связи
с объектом.
Урок 18. Исполнительные механизмы.
Целеполагание: рассмотреть основные виды исполнительных
механизмов, их достоинства и недостатки, области применения;
формировать единую научно-техническую картину мира; формировать
понятие принципов управления производством.
Оснащение: карточки-опоры; кодограммы.
Литература:
1. Шандоров Б. В., Шапарин А.А., Чудаков А.Д. «Автоматизация
производства» М., 2002г.
2. Волкевич Л.И. «Автоматизация производства электронной
техники» М., «Высшая школа», 1998г.
3. Максимов Н. В. , Хорошилов В. О., Королев С. Г.
«Автоматизация производства на основе ВТ» М., «Высшая
школа», 1987г.
4. Мясников В.А., Майоров С.А., «ЭВМ для всех: Электронновычислительная техника в народном хозяйстве» М., «Знание»,
1998г.
5. «Энциклопедия
машиностроения»
Т.4.
М.,
«Машиностроение» 1999г.
6. Грицевский П. М., Мамчченко А. Е., Степенский Б.М.
«Основы автоматики, импульсной и вычислительной
техники» М., «Радио и связь», 1987г.
7. Балакирев В.С., Софиев А.Э. «Исполнительные механизмы»
М.: «Машиностроение» 1984г.
Ход урока:
1. Опрос по материалу предыдущего урока.
2. Объяснение нового материала.
3. Закрепление.
4. Домашнее задание.
1. Опрос:
a) фронтальный: ответьте на вопросы:
- Что такое датчик;
- Каковы условия их применения;
- Предназначение датчиков;
- Как
подразделяются
электрические
датчики;
- Почему
параметрические
датчики
называются параметрическими.
Тема 4. Датчики, исполнительные механизмы, устройства связи с объектом.
-2-
- Дайте определение генераторным датчикам;
- Перечислите
разновидности
параметрических датчиков;
- Перечислите разновидности генераторных
датчиков;
b) опрос по тестам: вызываются более сильные учащиеся
2. Основные понятия: исполнительный механизм, разновидности,
применение.
Содержание: Исполнительным элементом в системе автоматического
управления называют устройство, осуществляющее перемещение рабочего
органа управляемого объекта в соответствии с управляющим сигналом.
Рабочими органами могут быть: рукоятки потенциометрических реостатов,
антенны радиолокаторов, клапаны, задвижки, остряки стрелочных
переводов и т. д.
Исполнительные механизмы, или сервоприводы, состоят из цепи
усилителя, переключателя и исполнительного устройства и предназначены
для усиления слабого управляющего сигнала от регулятора или блока
сравнения (доли ватт) до мощности, необходимой для воздействия на
объект управления (до нескольких киловатт), возможно, с преобразованием
сигнала в другую форму и передачи его на исполнительное устройство,
воздействующее через рабочий орган на объект управления.
Исполнительные механизмы - это устройства, преобразующие
информацию об управляющем воздействии, поступающую от ЭВМ, в
управляющее воздействие на объект управления (преобразуют
электрические сигналы в механическое воздействие).
Основными параметрами, характеризующими работу исполнительных
механизмов, являются усилие на выходе механизма, коэффициент
усиления по мощности, линейное или угловое перемещение, частота
вращения, быстродействие.
Классификация исполнительных механизмов
Тема 4. Датчики, исполнительные механизмы, устройства связи с объектом.
-3-
В зависимости от способа преобразования сигналов различают:
1.
Электрические ИМ
2.
Гидравлические ИМ
3.
Пневматические ИМ.
(Существуют ИМ, в которых используются одновременно два вида
энергии:
электропневматические,
электрогидравлические
и
пневмогидравлические.)
Электрические ИМ.
Электрические ИМ – преобразуют электрическую энергию в
механическую с целью воздействия на объект управления..
Они делятся на электродвигательные и электромагнитные.
Электродвигательный механизм состоит из исполнительного
двигателя редуктора, тормоза. Сигнал управления одновременно подается
на двигатель и тормоз, при этом тормоз растормаживается и двигатель
приводит в движение регулирующий орган. При снятии сигнала двигатель
выключается, а тормоз останавливает движение регулирующего органа..
В качестве электродвигательных используют двигатели постоянного
или переменного тока, а также шаговые (импульсные) двигатели. В
электромагнитных механизмах электрическая энергия преобразуется в
энергию прямолинейного движения исполнительного органа.
Принцип действия двигателей постоянного тока основан на
взаимодействии проводника, по которому проходит ток, с внешним
постоянным магнитным полем. Магнитное поле в двигателях постоянного
тока создается неподвижным статором. Вращающейся частью двигателя
является якорь, представляющий собой сердечник с обмоткой и
коллектором. Двигатели постоянного тока имеют ряд преимуществ: малые
габариты, высокая выходная мощность.
Двигатели переменного тока подразделяются на асинхронные и
синхронные.
Наиболее
распространенными
являются
двигатели
переменного тока, их доля составляет 80% от общего объема выпуска.
Принцип действия асинхронного двигателя заключается в наведении ЭДС,
а следовательно, и токов в замкнутых проводниках обмотки ротора при
вращении электромагнитного поля статора. Эти токи, в свою очередь
взаимодействуя с полем статора, создают электромагнитную силу, которая
обеспечивает вращение ротора.
Исполнительные асинхронные двигатели переменного тока с
короткозамкнутым ротором обладают рядом преимуществ: механической
Тема 4. Датчики, исполнительные механизмы, устройства связи с объектом.
-4-
прочностью, простотой обслуживания благодаря отсутствию трущихся
деталей, несложным управлением, простотой изоляции цепей,
возможностью работы на токах различной частоты.
В состав электропривода входят: переключатели; регуляторы;
электрические датчики контроля температуры, момента и пр.; элементы
защиты;
логические
элементы
(электромагнитные
реле,
полупроводниковые элементы); усилители; электродвигатели.
Электромагнитные исполнительные механизмы представляют
электромагниты различных конструкций, которые предназначены для
включения и отключения механических, пневматических и гидравлических
цепей. Они позволяют осуществлять сцепление и расцепление
вращающихся валов, открытие и закрытие задвижек, клапанов, вентилей,
включение мощных электродвигателей и т. д. при использовании
электромагнитов в качестве ИМ ЭВМ может управлять воздушными и
гидравлическими клапанами. Электромагнитные ИМ являются наиболее
простыми, надежными и быстродействующими из электрических
исполнительных механизмов. Их используют для управления различного
рода регулирующими и затворными клапанами, вентилями, золотниками и
т. п. В зависимости от требований электромагниты могут отличаться
между собой конструктивно, однако, они имеют общие элементы: катушку,
подвижной сердечник, возвратную пружину.
 По
виду
движения
исполнительного
органа
электромагнитные
ИМ
подразделяются
на:
электромагниты с прямолинейным движением и
электромагнитные муфты с вращательным движением.
 По характеру движения сердечника и связанного с ним
регулирующего
органа
электромагнитные
ИМ
подразделяются на: тянущие, толкающие, поворотные,
удерживающие, реверсивные.
 По количеству позиций выходного силового элемента
(регулирующего
органа)
электромагнитные
ИМ
подразделяются на: одно-, двух-, трехпозиционные.
 В
зависимости от
вида питающего напряжения
электромагнитные
ИМ
подразделяются
на:
электромагнитные механизмы постоянного и переменного
тока, а также со сменными катушками переменного и
постоянного тока с унифицированным приводом.
На практике чаще применяют электрические двигатели переменного
тока (асинхронные). Электродвигатели используют в качестве приводов
станков и роботов.
Гидравлические ИМ.
Тема 4. Датчики, исполнительные механизмы, устройства связи с объектом.
-5-
Принцип действия основан на сжатии жидкости, в качестве ее
используют техническое (минеральное) масло, синтетические жидкости.
Гидравлические ИМ преобразуют энергию рабочей среды, находящейся
под давлением, в механическую энергию поступательного или
вращательного движения. Они способны развивать очень большие усилия
при малых габаритах и могут работать в значительно более тяжелых
условиях эксплуатации. Гидроприводы отличаются способностью к
точному позиционированию рабочего органа. Кроме того, работа этих
приводов не сопряжена с вредными воздействиями на окружающую среду
(шум, вредные выделения и т. п.)
Гидропривод включает в себя:
 Электродвигатель с насосом для подкачки жидкости под
давлением;
 Предохранительный клапан;
 Фильтр для очистки рабочей жидкости;
 Золотниковый
или
струйный
распределитель,
управляющий подачей или спуском жидкости;
 Рабочий цилиндр;
 Сливной бак, трубопроводы, клапаны, манометр и т. п.
Применяются в приводах роботов, перемещающих большие грузы,
прежде всего в устройствах силового привода станков, подъемных
механизмов, автоматических манипуляторах, в авиационной и ракетной
технике.
Пневматические ИМ.
Принцип действия основан на сжатии газа, чаще используется воздух.
Применяется в приводах роботов, перемещающих небольшие грузы и
роботах, которые должны работать при высокой чистоте окружающей
среды
(роботы,
устанавливающие
радиоэлементы
на
платы).
Пневматические устройства автоматики и пневмопривод особенно широко
используются при автоматизации производства в химической
промышленности и других местах, где из-за повышенной взрыво- и
пожароопасности применять электрические исполнительные механизмы
нельзя.
Достоинством пневмопривода являются менее жесткие требования к
точности изготовления элементов привода, у них выше быстродействие,
ниже стоимость, меньше длина возвратных линий, по сравнению с
гидравлическими, используется легко доступная рабочая среда – воздух.
Но, однако, при равных габаритных размерах развивают меньшие усилия;
не способны точно воспроизвести заданный закон движения; сильно шумят
при работе, неизбежны утечки воздуха.
Тема 4. Датчики, исполнительные механизмы, устройства связи с объектом.
-6-
Пневмоприводы просты конструктивно, дешевы и надежны, обладают
сравнительной легкостью эксплуатации и обслуживания, гибкостью в
применении. Эти приводы широко используются при автоматизации
производственных процессов в качестве зажимных и транспортирующих
механизмов, а также в ручных инструментах.
В конструкцию пневмопривода входят:
 Фильтр;
 Редуктор;
 Масленка, в которой воздух насыщается маслом;
 Золотниковый или струйный распределитель;
 Пневмодвигатель.
По конструкции и принципу действия между гидравлическими и
пневматическими двигателями нет существенного различия.
По характеру действия исполнительные механизмы подразделяются
на:
 дискретные (позиционные)
 непрерывные (пропорциональные).
Характерным для конструкции дискретных исполнительных
механизмов является то, что с их помощью рабочие органы можно
устанавливать только в определенные фиксированные положения. У
исполнительных механизмов непрерывного действия рабочий орган может
быть установлен в любое промежуточное положение в зависимости от
параметра управляющего сигнала.
Классификация приводов по виду выходного параметра:
 Силовые;
 Параметрические
Силовые создают на выходе силу или момент, которые обычно
фиксируют положение рабочего органа. Силовые приводы обычно строят
на базе электромагнитов, электромеханических муфт и различного вида
двигателей.
Параметрические приводы предназначены для изменения состояния
рабочего органа: положения, скорости, температуры, электрического
сопротивления, напряжения, тока, частоты, давления.
Основные технические показатели приводов:
- Быстродействие;
- Точность;
- Диапазон
линейного
или
углового
перемещения;
- Частота вращения;
- Максимальная полезная мощность;
- Максимальная и номинальная нагрузка;
- Коэффициент усиления по мощности;
Тема 4. Датчики, исполнительные механизмы, устройства связи с объектом.
-7-
- Мощность управления;
- КПД;
- Ресурс работы и т. д.
В конкретных случаях разные факторы играют определяющую роль
при выборе исполнительного механизма.
Обычно стремятся построить привод на элементах, использующих
сигналы одной формы: электропривод, гидропривод, пневмопривод.
Однако это не всегда удается, поэтому широко распространены
комбинированные
приводы
–
электрогидравлические,
электропневматические,
пневмогидравлические.
Примером
комбинированного привода является электрогидравлический привод станка
с ЧПУ.
В состав привода входят:
 Электронный цифровой блок управления обмотками
шагового
двигателя
для
обеспечения
заданных
направления и скорости вращения;
 Маломощный
шаговый
электродвигатель,
преобразующий управляющие импульсы в угол поворота
ротора;
 Гидроусилитель
(следящий
гидропривод),
воспроизводящий угол поворота.
3.
Закрепление: ответьте на вопросы:
 Дайте определение исполнительному механизму;
 Назовите разновидности исполнительных механизмов;
 Где
применяется пневматический исполнительный
механизм;
 Где
применяется гидравлический исполнительный
механизм;
 Где
применяется
электрический
исполнительный
механизм;
 Скажите, какое устройство из ранее нами изученных
аналогично исполнительному механизму? (вопрос для
сильного ученика)
4.
Домашнее задание:
- определения,
- применение