مکاترونیک

1-     مقدمه

محور اصلی این ماشین که همان محور جذب کننده می‏باشد، محور C است که عملکرد چرخشی آن با استفاده از موتور چند زمانه و با توان 71 کیلووات، صورت می‏پذیرد. برای لحظاتی که گشتاور بسیار بالا است لازم است تا میزان دنده‏های ماشین از طریق 2 گیربکس خورشیدی دو مرحله‏ای و دنده‏تسمه‏ای ثابت، کاهش یابد. برای انجام عملیات دریل کردن و آسیاب کردن، موتور اصلی از طریق فعالیت حالت طبیعی گیربکس، جدا می‏شود و محور اصلی به صورت هیدرولیک با دنده‏ی مارپیچی جفت می‏گردد و در نهایت با 2 سروموتور در حالت اصلی کنترل می­شود و به حالت یک مجموعه‏ی دنده‏دار درآمده و فعالیت می‏کنند (شکل 1). این حالت تغییرات حالت‏های بارگیری اولیه‏ی الکتریکی بین هر دو سرو موتور را تضمین می‏کند. بارگیری اولیه‏ی سروموتورها حالت کوپل سیستم را در زمان وقوع واکنش‏های شدید دنده مارپیچی، حفظ می‏کند. در این حالت کناره‏های باریک دندانه‏ها برخلاف جهت چرخش دندانه‏ی مارپیچی و در مسیر خلاف واکنش نشان می‏دهند (البته زمانی که با گشتاور بالا روبه‏رو می‏شویم).

شکل 1  طراحی محور C

با استفاده از این حرکت چرخشی، مرحله به مرحله مسیر تحریک حرکت گشتاور از حرکت برعکس به حرکت مستقیم تغییر خواهد کرد‏، اما همواره زمان تغییر با توجه به شرایط تفاوت دارد چراکه فرایند و جدول زمان‏بندی برش در بسیاری از مواقع با استفاده از وسایل تیغه‏ای برش که موجب ایجاد نوسان گشتاور می‏شوند تعیین می‏گردد و همواره نیازمند یک تعریف مجدد بارگیری اولیه‏ی سروموتور می‏باشد تا از قبل بتواند دلایل مختلف آسیب‏دیدگی دنده‏های مارپیچی دستگاه را تخمین بزند.

1-     سیستم چند جسمی

ساده‏سازی فقط در شرایط زیر امکان‏پذیر است:

سروموتورها با استفاده از چند شفت به دنده‏های مارپیچی متصل هستند و در مسیر عکس می‏چرخند. این چرخش باعث پاک شدن و بارگیری مجدد مجموعه‏ی دنده‏های مارپیچی می‏شود. این مجموعه بین سروموتور و دنده‏ی مارپیچی حول زاویه‏ی_Mφ می‏چرخد. روشن کردن محور C موجب می‏شود که سیستم مجدداً بارگیری کرده و سرعت حرکت ابزارهای ماشین در داخل یک مکان زاویه‏ای تعریف شده قرار گیرد. بارهای باقی مانده در سیستم با حرکت محور  C، در طول فرایند ماشینی باقی می‏مانند و افزایش زمان فقط برای شروع حرکت سروموتور به کار می‏رود. یک انحراف گشتاور ممکن است باعث به وجود آمدن یک فاصله در فضای دندانه‏ای شود. محور اصلی با استفاده از یک CNC کنترلی در مکان خود باقی می‏ماند. بلوک دیاگرام سیستم مکانیکی بارگیری مجدد محور C را در شکل 2 مشاهده کنید. بخش رابط این مدل در لبه‏های کناری بخش‏ها قرار دارد. دنده‏‏مارپیچی از نوع ZA می‏باشد که دارای نسبت چرخ دنده‏ای 40.5 می‏باشد . چرخ دنده‏ی مارپیچی به صورت خود قفلی طراحی شده است

شکل2  دیاگرام سیستم مکاترونیک بارگیری اولیه‏ی ارباب-برده

یک نگهدارنده‏ی دنده‏مارپیچی برای ساده‏سازی به عنوان یک محور پیچشی جامد طراحی شده است، چراکه محکم بودن پیچش آن چند برابر بهتر از محکم بودن اجزایی هستند که به صورت زنجیره‏ای بر روی شفت مارپیچی قرار گرفته‏اند. لازم است تا محاسبه استحکام پیچشی و ممان اینرسی اجزاء خاص بعلاوه محاسبه‏ی تقریبی میرایی دنده‏ی مارپیچی محور C صورت گیرد. استحکام پیچشی محور و شفت مارپیچی با کمک سیستم FEM (روش اجزاء محدود) صورت می‏گیرد. محاسبه‏ی سختی برخورد به روی دندانه‏ی چرخ‏دنده‏ی مارپیچی به صورت گسترده به شکل یک مدل دو بعدی ساده شده است. این مدل شامل ضریب دندانه‏ای 2.94 گریپ است که با کمک سه دندانه‏ی فرعی دیگر به فعالیت خود ادامه می‏دهد. نیروی ایجاد شده که موجب تغییر شکل سیستم می‏شود برابر با نیروی بین دو مولفه درونی پیچ و چرخ‏دنده  بوده و محاسبه میگردد . این چرخ‏دنده به شکل حلزونی است.

حرکت این چرخ‏دنده با استفاده از قراردادن یک بخش توری شکل در مکان رابط بین فلز برنزی و نگهدارنده‏ی مجموعه، به شکل ساده‏ای درآمده است.

محکم بودن زنجیره‏ی اجزا بین سروموتور و دنده‏ی مارپیچی باید برای تعریف گشتاور بارگیری، محاسبه گردد . لحظه‏ی سکون (اینرسی) در مدل سه بعدی طرح محور C، محاسبه می‏گردد. ضریب تعدیل برای توضیح سیستم مکانیکی لازم است . برای ارزیابی مؤثر فرکانس‏های مکانیکی سیستم کنترل محور C لازم است، تا مشکل پیشرو را به دو موقعیت و حالت تقسیم کنیم.

اولین موقعیت شامل نوسان بارگیری است که به وسیله‏ی قفل خودکار دنده‏ی مارپیچی به وجود می‏آید. این موقعیت مستقیماً بر روی سیستم اندازه‏گیری محور C تأثیرگذار است. فرکانس ویژه از طریق فرمول زیر محاسبه می‏گردد:

(1)                                               

دومین موقعیت شامل سیستم چند بدنه‏ای قسمت زنجیری از سروموتور تا واحد بارگیری است. رابط انسدادی بین محور و قطعه کار بوجود می‏آید. فرکانس ویژه با استفاده از بارگیری مسدود و معادلات 2 تا 7 محاسبه می‏شود.

معادلات ذکر شده بدون هیچ گونه تعدیلی از قرار زیر است:

(2)                                                

انتقال به سطح فشرده:

(3)                                                     Q=v.e^jwt

(4)                                                M^-1.K.v=Ω².v

تعیین سمت چپ معادله که برای حل معادله و به دست آوردن فرکانس ویژه باید برابر با o باشد:

(5)                                         

ماتریس جرم:

 (6)                                         

ماتریس سختی:

(7)                             

1-     نظریه‏ی نوشتاری

اولین فرکانس ویژه‏ی محورC تعیین کننده اندازه تقویت نسبتی K_v می‏باشد. علاوه بر آن فرکانس‏های ویژه بر روی فرایندهای پاسخ‏گو بر روی مراحل گشتاور و یا دینامیک اجرایی، تأثیرگذار است. در جدول 1 مقادیر فرکانس ویژهه ذکر شده است.

جدول 1  فرکانس ویژه

تعادلی که بر اثر تغییرات مراحل به وجود می‏آید بر روی میرایی دنده‏های مارپیچی تأثیرات مثبتی دارد. نسبت بزرگ چرخ‏دنده‏ی مارپیچی باعث کاهش تأثیرات زمان سکون قطعه‏ی فعال بر روی فرکانس ویژه می‏شود.دانش و فناوری فرکانس‏های ویژه برای این سیستم مکانیکی، بهینه‏سازی تنظیم کننده‏های دقیق هر دو موتور را فعال می‏کند