Курсовой проект состоит из
пояснительной записки (ПЗ) и 4 листов графической части формата А1. ПЗ печатается
на одной стороне листа формата А4 и имеет объем около 70 страниц текста (шрифт Times New Roman Cyr, кегль 14, через 1,5
интервала, поля: слева
- титульного листа с указанием темы и варианта задания, дисциплины, в рамках которой проект выполняется, группы и фамилии студента, фамилии руководителя;
- задания на проектирование (с указанием темы, варианта и значений исходных параметров проектируемого объекта);
- содержания с указанием названий разделов и подразделов, а также номеров их начальных страниц;
- введения;
- сравнительного анализа известных решений аналогичных задач;
- одного или нескольких основных разделов, посвященных непосредственно проектированию объекта;
- заключения;
- списка использованных источников;
- приложений, в т. ч. спецификаций, перечней элементов (при необходимости).
ВВЕДЕНИЕ (0,5-1 стр.) – кратко
раскрывается важность решаемой задачи и ее актуальность в свете современных научных и технических проблем,
упоминаются основные трудности.
1 раздел (20-30 стр.). Краткий обзор (сравнительный анализ) известных способов и устройств для решения аналогичных задач. Выполняется перед началом проектирования любого устройства, чтобы ознакомиться с современным уровнем разработок в данной области, применяемыми техническими решениями и основными тенденциями развития техники в данной области, отобрать лучшие из существующих решений для использования в собственной разработке, а также убедиться в том, что среди известных разработок отсутствует устройство с необходимой совокупностью технико-экономических характеристик (иначе новая разработка не имеет смысла).
Известные мехатронные устройства
группируются по определенным признакам (способу перемещения, виду движителя,
грузоподъемности, производительности, ключевым особенностям конструкции, виду энергии,
используемой для движения, способу получения и обработки измерительной информации
и т. п.) в соответствии с характером решаемых в курсовом проекте задач..
Порядок рассмотрения известных устройств. Для каждого устройства приводится наименование (тип, модель), ссылка на источник информации (в прямых [1] или косых /2/ скобках), краткое описание устройства, принципа его работы (при необходимости приводится чертеж, схема), особенности и достоинства конструкции (главным образом те, которые представляют интерес для будущей разработки), недостатки (главным образом те, которые будут устранены при проектировании).
2 раздел (или несколько последующих разделов) посвящен собственно
проектированию заданного устройства.
Примерный порядок описания процесса разработки.
2.1. Концепция построения проектируемого мехатронного устройства. Здесь определяются и обосновываются принципы действия мехатронного устройства, расположение основных узлов, источники используемой энергии, формируются предварительные требования к основным узлам, например, к мощности двигателей, погрешностям датчиков и т. п. При этом учитываются рабочие нагрузки, требования к габаритам, массе, условия работы и т. п.).
2.2. Разработка структурной схемы устройства.
2.3. Выбор или разработка конструкции движителей, расчет требуемой мощности, скорости, момента.
2.4. Выбор или расчет механизма передачи движения от двигателя к рабочему органу.
2.5. Выбор двигателя для конкретного исполнительного устройства (с учетом предварительных значений требуемой скорости вращения, момента или мощности, приведенных к валу двигателя). Обоснование выбора двигателя (электрический, пневматический или др.). При выборе электрического двигателя необходимо обосновать тип двигателя (асинхронный, коллекторный постоянного тока, вентильный, реактивно-индукторный, шаговый и др.).
2.6. Разработка усилителя мощности электромеханической системы, схему согласования управляющего сигнала микропроцессора (МП) с входом усилителя мощности.
2.7. Разработка алгоритма работы подсистемы управления устройством.
2.8. Обоснование выбора МП, разработка управляющей программы, выбор канала связи с центральной ЭВМ.
2.9. На основании определенных в п. 2.1 требований приводится обоснование выбора датчиков внутренней и внешней информации.
2.10. Выбор или расчет усилителей-преобразователей для согласования входных сигналов датчиков с входами МП; обоснование выбора АЦП, ЦАП, схем питания датчиков, схем и устройств индикации состояния блоков мехатронного устройства.
2.11. Описание работы спроектированного устройства сначала в статике (составляющие узлы и их соединение между собой с ссылками на рисунки и листы чертежей), а затем в динамике (описание работы, начиная с момента включения или поступления команды на запуск).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ (0,5-1 стр.) – краткое
перечисление того, что сделано в настоящем проекте (например, выполнен
сравнительный анализ известных способов и устройств вертикальной транспортировки грузов, разработана конструкция
мобильной тележки с гусеничным приводом,
выбраны такие-то датчики скорости вращения вала, температуры и давления масла,
обоснован выбор разрядности, быстродействия и выбран тип АЦП, обоснован выбор
МП, произведены расчеты редуктора, разработана конструкция движителя и т.п., можно
привести типы выбранных элементов). В конце приводятся технико-экономические
преимущества спроектированного устройства по сравнению с известными
(рассмотренными в 1 разделе), например: «спроектированное (наименование мехатронного
устройства, системы) позволяет увеличить скорость перемещения грузов в 2 раза,
повысить точность позиционирования исполнительного органа до 0,2%, снизить
требуемую квалификацию обслуживающего персонала, увеличить проходимость по бездорожью».
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
содержит выполненное в соответствии со стандартом описание всех источников, на
которые даны ссылки в тексте ПЗ. Источники располагаются в порядке их
упоминания. Источники, на которые нет ссылок в тексте ПЗ, в список не включаются.
В зависимости от специфики устройства и индивидуального задания разработке одних блоков и подсистем может уделяться большее внимание (что обычно отражается в наименовании темы – «… с подробной разработкой…»). В этом случае другие блоки могут быть выбраны без подробного обоснования.
Необходимо, по возможности,
максимально использовать готовые мехатронные модули. На каждой стадии
проектирования необходимо рассматривать
2-3 варианта и обосновывать свой выбор.
Разработка и выбор отдельных узлов и блоков проектируемого устройства обычно выполняется по принципу «от конца к началу», начиная от несущей конструкции и корпуса, движителя, до датчиков внешней и внутренней информации. Поскольку проектирование является итерационным процессом, может потребоваться уточнение параметров или типов устройств, выбранных на предыдущих стадиях, и внесение соответствующих изменений в остальные узлы. В процессе проектирования необходимо использовать материалы лекций, практических занятий, учебную и справочную литературу, книги и периодические издания по специальности, материалы из интернета, нормативно-технические документы.
Примерный алгоритм работы системы управления проектируемого устройства (уточняется в процессе проектирования). По команде центральной ЭВМ локальный МП проверяет наличие информации от датчиков конечных положений и датчиков текущего положения исполнительного органа (ИО), веса транспортируемого груза и перегрузки, скорости, наличия препятствий и т. п. Если эта информация свидетельствует о готовности устройства к работе, МП дает команду на перемещение ИО в заданное положение (также определяемое командой центральной ЭВМ). При этом МП обеспечивает поддержание номинальной скорости перемещения ИО. При подходе к точке назначения МП снижает скорость движения, чтобы обеспечить заданную погрешность позиционирования рабочего органа. При возникновении перегрузки или обнаружении препятствия МП подает команды на останов, подачу предупреждающего звукового сигнала и посылает аварийный сигнал центральной ЭВМ. При достижении заданной позиции рабочий орган останавливается и МП сообщает центральной ЭВМ о выполнении задания.
Все разделы и подразделы ПЗ имеют
содержательные заголовки, т.е. заголовки,
отражающие содержание излагаемого в данном разделе или подразделе материала
(например, не «Механическая часть», а «Разработка конструкции мобильной
тележки»). При изложении материала (в описаниях, расчетах) даются ссылки на
рисунки в тексте (рисунки помещаются
после первого упоминания и нумеруются в пределах раздела: 2.1, 2.2, 3.1,
3.2) или на листы графической части (приводятся шифры листов). При написании ПЗ
необходимо делать ссылки на используемые источники, из которых взяты методики
расчета, расчетные формулы и т.п. (кроме общеизвестных). Подрисуночная подпись
должна располагаться на той же странице, что и рисунок (и должна быть сгруппирована
с самим рисунком), то же относится и к заголовкам таблиц.
Около половины объема ПЗ должны
составлять расчеты (механических узлов и отдельных деталей, передаточного числа
и моментов на валах редуктора – кинематические и прочностные, коэффициентов
передачи усилителей, схем согласования, источников питания, устойчивости системы
регулирования положения исполнительного органа и т. п.). В этот объем входит
также обоснование выбора тех или иных элементов, узлов (с приведением численных
значений их параметров и характеристик).
Типовое содержание графической части. Лист 1 (А1) – общий вид разрабатываемого устройства с
габаритными и установочными размерами, выносками основных узлов и деталей
(наименования узлов и деталей помещаются на отдельных листах формата А4 в
приложении или на этом же чертеже). Лист 2 – структурная схема устройства, графики, диаграммы, циклограммы,
иллюстрирующие работу устройства (А1 или несколько чертежей меньшего формата).
Лист 3 – принципиальные электрические
схемы (А1 или несколько чертежей меньшего формата); перечни элементов помещаются
на отдельных листах А4 в приложении. Лист 4
– отдельные спроектированные механические
узлы и детали (несколько чертежей А2, А3, А4). На чертежах также могут быть
представлены, функциональные схемы, способы крепления и подключения датчиков,
гидравлические, пневматические схемы, варианты выполнения наиболее важных узлов
проектируемого устройства, интересные
конструктивные и схемные решения известных устройств, (если это необходимо для пояснения преимуществ разработанной
конструкции по сравнению с известными).
Как правило, на листах графической части даются схемы и чертежи только тех схем, узлов и деталей, которые студент сам разработал или модернизировал. Степень детализации электрических схем и чертежей может быть различной, однако, они должны давать четкое представление о том, какие элементы, узлы, детали (и с какими параметрами) используются и как они соединены между собой. Структурная (функциональная) и принципиальная схемы должны позволять проследить весь путь преобразования информации от датчиков, ЭВМ верхнего уровня, устройств ввода программ, исходных данных и команд управления до исполнительных органов и устройств индикации состояния МС.
ПЗ и чертежи должны быть выполнены в соответствии с действующими стандартами (в виде исключения по согласованию с руководителем один из чертежей может быть заменен плакатом).
Объем и содержание ПЗ и графической части могут
быть скорректированы руководителем в зависимости от характера выполняемого
проекта. В курсовых проектах научно-исследовательского характера содержание ПЗ,
начиная с п. 2, не регламентируется в связи со значительным разнообразием
тематики. В этом случае чертежи графической части могут содержать общий вид экспериментальной установки,
общие виды узлов и схемы вариантов разработок, материалы в виде графиков,
осциллограмм, прочие материалы, полученные в результате исследования.
При проектировании необходимо максимально использовать основные мехатронные принципы (минимизация промежуточных преобразований энергии и информации, интеллектуализация и децентрализация управления, виртуальные и интеллектуальные сенсоры и т. п.), стремиться снижать массу и момент инерции подвижных узлов, например, за счет выбора рациональной кинематической схемы, использования современных легких и высокопрочных материалов (например, композитных).
При выборе датчиков рекомендуется руководствоваться данными таблицы 1.
Таблица
1. Использование датчиков различного принципа действия.
|
Контролируемый параметр |
Используемые датчики |
|
1. Масса
груза, уровень перегрузки |
Тензодатчики
на балках, нагруженных усилием веса груза, магнитоупругие,
дифференциально-трансформаторные, индуктивные. |
|
2.
Пройденный путь, текущее положение груза (кабины, ковша, каретки, нагрузочного
крюка и т.п.) |
Фотоэлектрические
(на основе подсчета импульсов, возникающих при пересечении непрозрачными
штрихами светового луча, могут быть реверсивными и нереверсивными,
абсолютными и инкрементальными; на основе распознавания или подсчета цветных
меток; на основе систем технического
зрения); электромагнитные (на основе подсчета магнитных выступов; на основе
индуктосинов, вращающихся трансформаторов), электроконтактные (на основе
множества герконов, расположенных вдоль пути движения каретки). |
|
3.
Конечное или промежуточное положение |
Фотоэлектрические
(на основе пересечения луча подвижной заслонкой; на основе улавливания
отраженного луча, на основе совмещения осей источника и приемника света),
герконовые, электромагнитные. |
|
4.
Скорость подъема груза |
Виртуальные
датчики (с их помощью скорость определяется путем обработки процессором
информации от датчиков перемещения различных типов), индукционные,
тахогенераторные (измеряющие угловую скорость вращения вала, которая затем пересчитывается
в линейную). |
|
5. Наличие
препятствий |
Ультразвуковые,
фотоэлектрические на отражение света от препятствия, электромеханические (в
которых используются гибкие или жесткие тонкие штыри или «усы», в основании которых
встроены датчики усилия или перемещения), виртуальные датчики на основе
датчиков перегрузки двигателя привода по току или моменту на валу. |
|
6.
Скорость вращения вала |
Тахогенераторы,
оптические датчики, вырабатывающие импульсы при пересечении луча света
спицами колеса, индукционные, индуктивные датчики. |
|
7.
Давление |
Мембранные
датчики с наклеенными на мембрану тензорезисторами, мембранные или сильфонные
датчики с дифтрансформаторным измерителем перемещений, емкостные и магнитоупругие
датчики. |
|
8. Температура |
Термопары,
терморезисторы, ртутные с электрическими контактами, болометрические,
биметаллические электроконтактные. |
|
9.
Величина тока |
Резистор
очень малой величины (0,1-0,01 Ом), включенный последовательно с обмотками
двигателя; для мощных двигателей – трансформатор тока, кольцом охватывающий
провод с измеряемым током; на основе датчиков Холла или магниторезисторов,
измеряющие ток по величине создаваемого им магнитного поля. |
|
10.
Момент на валу |
Тензорезисторы,
наклеенные на вал под углом 450, магнитоупругие. |
Примерная последовательность проектирования привода.
- определение характера и
направления движения всех рабочих органов, необходимых взаимосвязанных движений
по двум и более координатам;
- выбор типа кинематических
связей в приводе и типа двигателя;
- выбор типов основных механизмов
привода (тяговых устройств, механизмов
переключения, реверсирования и т.д.);
- расчет основных параметров (мощности
двигателя, потерь в приводе, передаточных отношений передач и т.д.);
- выбор или конструирование механических
узлов привода и их деталей.
Выполнение любого из
этапов проектирования привода ведет к многовариантным решениям. Выбор того или
иного из них делают на основе технико-экономических расчетов, анализируя
степень удовлетворения основных требований, предъявляемых к приводу. Так,
использование нескольких двигателей позволяет сократить кинематические цепи,
упростить управление.
Примерная
последовательность разработки информационной
подсистемы МС.
- определение структуры информационной подсистемы;
- определение требований к отдельным узлам информационной подсистемы в т. ч. допустимых значений погрешностей отдельных ее узлов (общая допустимая погрешность информационной подсистемы ранее была определена, исходя из требуемой погрешности движения рабочего органа);
- выбор датчиков с учетом вида измеряемой величины, диапазона ее изменения, допустимых значений основной и дополнительных погрешностей, условий эксплуатации, т. е. способа защиты датчика от неблагоприятных внешних воздействий, чувствительности и величины выходного сигнала, вида выходного сигнала (аналоговый, цифровой, способ кодирования и т.п.), принципа действия, требований по надежности, способа крепления и др.;
- выбор или разработка усилителей-формирователей измерительных сигналов датчиков (при необходимости);
- выбор АЦП для согласования аналоговой измерительной информации от датчиков с входом МП или управляющей ЭВМ (с учетом уровня входного сигнала, требуемой разрядности, определяемой погрешностью АЦП, и быстродействия).
Контрольные сроки выполнения курсового проекта:
- краткий обзор известных решений поставленной задачи, эскизная проработка компоновки, предварительный выбор датчиков, МП, двигателя и других элементов - 15 марта (15 октября);
- проработка основных узлов, расчеты – 30 апреля (30 ноября);
- завершение оформления проекта, нормоконтроль, защита – 20 мая (20 декабря).