А. М. Литвиненко ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ПРИВОД Учебное пособие Воронеж 2020 МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный технический университет» А. М. Литвиненко ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ПРИВОД Учебное пособие Издание второе, переработанное и дополненное Воронеж 2020 УДК 681.575(075.8) ББК 32.816я7 Л641 Рецензенты: кафедра вычислительной техники и информационных систем ВГЛТУ им. Г. Ф. Морозова (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В. К. Зольников); ген. директор НПФ «Мехпресс» (г. Воронеж), д-р техн. наук В. А. Крук Литвиненко, А. М. Исполнительный привод: учеб. пособие / А. М. Литвиненко; ФГБОУ Л641 ВО «Воронежский государственный технический университет». – 2-е изд., перераб. и доп. – Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2020. – 124 с. ISBN 978-5-7731-0844-3 В учебном пособии рассмотрены общие требования к электроприводам роботов, а также электромеханические свойства электродвигателей, вопросы выбора двигателя и передаточного числа редуктора, включая различные теории нагрева (тепловые модели). Уделено внимание электроприводам постоянного и переменного тока, линейным и шаговым. Приведены основные сведения по гидравлике, гидравлическим и пневматическим приводам роботов. Также рассмотрены некоторые разработки в области электропривода роботов, включая приводы с внешними магнитными системами и орбитальные. Издание предназначено для студентов направлений подготовки 27.03.04 «Управление в технических системах» (профиль «Управление и информатика в технических системах»), 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» (профиль «Электропривод и автоматика»), 27.04.04 «Управление в технических системах» (программа магистерской подготовки «Теория систем управления») и 13.04.02 (программы магистерской подготовки «Управление распределенными объектами регионального электроснабжения», «Электроприводы и системы управления электроприводов», «Электроэнергетические системы»). Ил. 125. Табл. 4. Библиогр.: 24 назв. УДК 681.575(075.8) ББК 32.816я7 Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета ISBN 978-5-7731-0844-3 © Литвиненко А. М., 2020 © ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2020 ВВЕДЕНИЕ Настоящее учебное пособие разработано для студентов направлений подготовки 27.03.04 «Управление в технических системах» (профиль «Управление и информатика в технических системах»), 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» (профиль «Электропривод и автоматика»), 27.04.04 «Управление в технических системах» (программа магистерской подготовки «Теория систем управления») и 13.04.02 (программы магистерской подготовки «Управление распределенными объектами регионального электроснабжения», «Электроприводы и системы управления электроприводов», «Электроэнергетические системы»). Учебным планом в той или иной мере предусмотрено изучение основ робототехники при изучении курсов: «Электромеханические системы», «Исполнительные системы в ГАП», «Защита интеллектуальной собственности», «История и современные проблемы теории управления». В ВГТУ данная тема является одной из основных в рабочих программах. Между тем данный материал излишне детализирован в соответствующих пособиях для робототехнических специальностей, кроме того, наблюдается параллелизм при изучении, например, устройств управления в курсах «Основы робототехники» и «Микропроцессорные системы». В данном пособии в концентрированном виде приведены основные сведения об электроприводе роботов, в том числе линейном и шаговом, гидрои пневмоприводе, орбитальном электроприводе, о роботах с рекуперацией энергии. Настоящее издание является частью учебно-методического комплекса по вышеуказанным дисциплинам и является дополненным и переработанным вариантом учебного пособия «Исполнительный привод», выпущенного в рамках серии «Исполнительные системы роботов» (Литвиненко А. М. Исполнительный привод: учеб. пособие / А. М. Литвиненко; Воронеж. гос. техн. ун-т. – Воронеж: ВГТУ, 1996. – 139 с. – (Исполнительные системы роботов)). В пособии использованы авторские иллюстрации и иллюстрации, взятые из других источников литературы в качестве цитирования. 3 ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ДВИГАТЕЛЯМ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ Совокупность требований к приводу ПР определяется составом и характером манипуляционных операций, а также конструктивно-технологической спецификой ПР. Количественно манипуляционные движения (привед нные к вращательным) большинства современных ПР при мощности привода 10÷5000 Вт ограничены предельным перемещением выходного звена 2 , максимальной скоростью выходного перемещения 2 , временем переходных процессов при позиционировании tn , ускорением выходного звена 2 , допустимой ошибкой при позиционировании 2 : 2 (45 330) ; 2 (180 360) , 1/с; tn (0,1 1) c; 2 (1800 3600) , 1/с2; 2 (0,01 0,05) . Диапазон регулирования скорости в транспортно-ориентирующих ПР, как правило, не превышает 500. В сварочных ПР и других роботах с контурным управлением к точности траектории движения и его темпу предъявляются более высокие требования, появляется необходимость в точном задании скорости и повышении диапазона регулирования. Специфика функционирования привода в роботах при традиционно высоких требованиях к его энергетике и ресурсу определяется следующими факторами: – необходимостью реализации монотонных (без заметного перерегулирования) перемещений рабочего органа ПР; – переменным характером статических нагрузок (М2) из-за разнообразия объектов и траекторий манипулирования, а также за сч т неуравновешенности механических систем; – существенной переменой механической нагрузки, меняющимся динамическим моментом привода в 5–10 раз из-за переменной кинематики подвижных звеньев робота и присоединения дополнительных масс; – наличием в конструкции ПР кинематический цепей с переменной механической упругостью, возбуждающей дополнительную колебательность движений выходного звена. Для монотонности движения и повышения точности позиционирования необходима компенсация упругих возмущений; – особенностями компоновки силовых элементов в приводах в конструкции робота, диктующей чрезвычайно жесткие требования к их малогабаритным показателям, особенно при встраивании этих элементов в сочленение кинематических звеньев ПР. Для элементов электропривода (двигатель-редуктор) требование минимизаций их собственной массы является решающим. 4 Важное значение для правильного выбора типа привода и его компонентов имеет характер графики перемещения. Исследования характера перемещений звеньев ПР показывают, что типовым графиком движения ПР является трапецеидальный с участками разгона и торможения, суммарно не превышающими 10-20 % всего пути. Длительность переходных процессов определяется в 20-30 % времени цикла. Таким образом, условия синтеза привода ПР сводятся к тому, чтобы обеспечить рациональные параметры системы редуктор – двигатель – регулятор, позволяющей реализовывать при заданных грузоподъ мности и пределах изменения статической и динамической нагрузок необходимые параметры манипуляционных движений с апериодическим позиционированием независимо от упругости кинематических звеньев и при наименьшей собственной массе. Выбор типа привода не является однозначной задачей, поскольку каждый из них имеет свои достоинства и недостатки (табл. 1). Однако проводимые в последние годы интенсивные работы по уменьшению массогабаритных показателей электропривода значительно расширяют сферу его применения в робототехнике. Кроме того, важным достоинством электропривода является его хорошая совместимость с ЭВМ, которая может быть увеличена при программной реализации алгоритмов цифрового электропривода, обеспечивающей изменение структуры и параметров регуляторов привода пут м изменения управляющих программ. Расширение производства автоматизированных электроприводов, переход на их комплектную поставку повышают конкурентоспособность машиностроительной промышленности. Свойства гидро-, пневмо- и электропривода ПР Технические данные Силовой элемент Гидравлический привод следящий шаговый Гидроцилиндр Гидроусилитель Таблица 1 Пневматический привод Электропривод Пневмоцилиндр Электродвигатель Габариты и вес / при той же мощности Малые Малые Большие Перегрузка по моменту / по силе Невозможна Невозможна Возможна в 10 раз и более КПД системы Низкий Низкий Высокий Нет Есть Редуктор Нет Есть 5 Окончание табл. 1 ЭлектрогидШаговый Орган управления равлический двигатель золотник ЭлектроТиристорный пневматический усилитель клапан Вспомогательные устройства Автономная гидросистема Автономная пневмосистема Нет Движущиеся части Двигатель гидронасоса, гидронасос, гидромотор, золотник Пневмомотор, клапан Двигатель, редуктор Трубы и шланги Трубы и шланги Провода Есть Нет Уход Есть Необходимая смена с простоем для промывки Смена масла Время готовности Начальный нагрев Распределительная сеть Наличие масла Фильтры Операции при введении в действие Обслуживающий персонал Уровень шума Влагоотстойник Минимальный Начальный нагрев Смена щ ток Немедленно Промывка гидросистемы Промывка пневмосистемы Нет Электрик, механик, гидравлик Механик Электрик, механик Высокий Высокий Низкий 6 1. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ РОБОТОВ 1.1. Электромеханические свойства электрических двигателей Основой электропривода являются электрические, электромеханические и механические преобразователи. При этом электродвигатель является электромеханическим преобразователем, имеющим две стороны: электрическую и механическую (рис. 1.1), характеризующиеся напряжением U , током I , моментом M c и угловой скоростью . Рассмотрим основные уравнения такого преобразователя, представленного в виде четыр хполюсника. При этом напряжение на якоре представляется в виде суммы падения напряжения на обмотке якоря и противо-ЭДС, зависящей от скорости. Момент сопротивления, направленный против скорости вала, уравновешивается моментом двигателя и динамическим моментом, зависящим от скорости. Система уравнений имеет вид (для двигателя постоянного тока) U ( p ) Z я ( p ) i ( p ) C ( p) ; М с ( p) C i( p) Z m ( p) ( p) , где Z я ( p) Rя Lя , p – операторное выражение электрического сопротивления; Rя – активное сопротивление якоря; Lя – его индуктивность; С – независимая постоянная; Z m ( p) I ( p) – механическое сопротивление; I – момент инерции якоря. Решая данную систему уравнений относительно угловой скорости и подставляя выражения для электромагнитной постоянной времени Tя Lя / Rя и для электромеханической постоянной времени Tm I Rя / C 2 , имеем Rя / С 2 (1 Tя p) 1/ С ( p) U ( p) М с ( p) . 1 Tm p(1 Tя p) 1 Tm p(1 Tя p) Таким образом, скорость двигателя выражают алгебраической суммой двух произведений: передаточной функции по управляющему воздействию на операторное выражение для напряжения и передаточной функции по возмущению на операторное выражение для момента нагрузки. Передаточной функции по управляющему воздействию можно придать каноническую форму передаточной функции типового звена второго порядка и рассмотреть характер протекания переходного процесса. Соответствующие характеристики рассмотрены в курсе ТАУ. Структурная схема электромеханического преобразователя приведена на рис. 1.2. 7 В статическом режиме важное значение имеет механическая характеристика двигателя – статическая зависимость между моментом и скоростью, которую можно получить из выражения для скорости, приравнивая p 0 : R 1 U я2 М . С С При этом скорость холостого хода 0 U / C при M 0 . Ж сткость механической характеристики – производная М ( ) по : dM () / d C 2 / Rя . Тогда выражение для механической характеристики имеет вид 0 1 М , или, переписав относительно момента, M (0 ) . Эти зависимости справедливы для неизменного магнитного потока двигателя, при его изменении следует учитывать, что С k Ф , где k const , Ф – магнитный поток и соответственно k Ф / Rя . 2 Механическую характеристику при номинальном значении сопротивления якоря и напряжении называют естественной, она показана на рис. 1.3 жирной линией. Любую другую характеристику называют искусственной, однако возможно получение как минимум тр х семейств искусственных характеристик (рис. 1.3): 1. При уменьшении магнитного потока от номинального. При этом скорость холостого хода увеличивается, а ж сткость уменьшается, что приводит к увеличению наклона характеристик. 2. При уменьшении напряжения, подвед нного к якорю. Скорость холостого хода также уменьшается, но при неизменной жесткости. Искусственные характеристики параллельны естественной. 3. При увеличении сопротивления якоря (вводе дополнительных резисторов). Скорость холостого хода оста тся постоянной, а ж сткость уменьшается пропорционально введ нному сопротивлению. 8 Рис. 1.1 Рис. 1.2 Рис. 1.3 9 Рис. 1.4 Рис. 1.5 Рис. 1.6 Рис. 1.7 Рис. 1.8 Рис. 1.9 10 Привед нные зависимости в полной мере справедливы и для широко применяющихся высокомоментных двигателей. Это относительно тихоходные двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Далее рассмотрим электродвигатель переменного тока, в частности, асинхронный короткозамкнутый, который широко распростран н в приводе станков и начинает находить применение в приводе роботов. Этому способствует то, что он обладает малыми массой и габаритами, по сравнению с двигателем постоянного тока, высокой над жностью, обусловленной отсутствием скользящего токосъ ма, низкой стоимостью, а также большой перспективой развития в составе регулируемого привода в связи с широким использованием силовых преобразователей частоты. Статические характеристики асинхронного двигателя можно получить на основании приближенной Г-образной схемы замещения (рис. 1.4), содержащей: Z1 R1 jX1 – сопротивление цепи статора; Z 2 R2 jX 2 – привед нное сопротивление цепи ротора; Z0 R0 jX 0 – сопротивление цепи намагничивания; С1 I X1 / X 0 – коэффициент уменьшения погрешности; s (n1 n2 ) / n1 – скольжение, т.е. относительную разность частот вращения магнитного поля статора n1 и ротора n2 . Определяя для основной ветви по закону Ома привед нный ток ротора I2 U1 C1 ( R1 C1 R '2 / s)2 ( X 1 C1 X '2 ) 2 и подставляя его в выражение для электромагнитного момента двигателя, найденного через мощность в нагрузочном сопротивлении схемы, находим M Pz где m1 – число фаз. Окончательно имеем M m1 ( I 2' )2 C12 R2' (1 s) , s m1 U12 R2' 0 s s1 C1 R2' / s ( X 1 C1 X 2' ) 2 2 . Это выражение описывает механическую характеристику двигателя. Естественная характеристика показана на рис. 1.5. На ней можно выделить несколько характерных точек: M 0 ; s 0 ; 0 – точка идеального холостого хода; M М н ; s sн ; н – точка номинальной нагрузки; M М П ; s 1 ; 0 – пусковая точка; M М к ; s sк ; к – критическая точка. 11 При этом выражение для критического скольжения sк С1 R2' R12 ( X 1 C1 X 2' )2 находится пут м дифференцирования зависимости M (s) по скольжению и приравнивания производной нулю. Подставляя эту зависимость в выражение для механической характеристики, имеем M m1 U12 2 0 C1 R1 R12 ( X 1 C1 X 21 ) 2 2 . Разделив это выражение на М к , получим уравнение механической характеристики в относительных единицах: 2(1 a sк ) М М к s / sк sк / s 2 a sк , где а R1 / (C1 R2' ) . В приближенных расч тах пренебрегают сопротивлением обмотки статора, тогда М 2 . М к s / sк sк / s Участок механической характеристики в пределах 0 < s < sк называют рабочим. Его часто аппроксимируют линейной зависимостью М / М к s / sк , при sк < 0,15. Если же sк > 0,15, то характеристику считают мягкой и рабочий участок аппроксимируют квадратичной зависимостью М Мк М Мн sк s . ( s sк ) 2 Рассматривая искусственные механические характеристики синхронного двигателя, необходимо заметить, что при изменении напряжения статора критический момент изменяется пропорционально квадрату изменения напряжения, а критическое скольжение от напряжения не зависит. При увеличении сопротивления ротора, что возможно только в случае фазного ротора, критический момент остается неизменным, а критическое скольжение увеличивается. Оба семейства искусственных характеристик показаны на рис. 1.6 и рис. 1.7. Изменить же скорость холостого хода можно только за счет изменения частоты питающего напряжения. При этом применяется регулирование скорости с постоянным моментом (рис. 1.8) при соблюдении соотношения U1 / f const 12 . Или регулирование с постоянной мощностью (рис. 1.9) при соблюдении соотношения U1 / f const , где f – частота питающего напряжения. 1.2. Выбор электродвигателя Выбор типа и мощности двигателя является сложной и неоднозначной задачей. В данном изложении ограничимся лишь выбором мощности. Важно отметить, что одинаково нежелательны как завышение мощности, увеличивающее затраты, так и занижение мощности, уменьшающее производительность и, в конечном итоге, также увеличивающее затраты. Существует несколько критериев выбора мощности. 1. Основным критерием является нагрев, который обусловлен двумя причинами: нагрузкой двигателя (потерями) и температурой окружающей среды. Обычно в расч тах е принимают равной 40 ºС. Ограничение по нагреву связано с нагревостойкостью обмоток. Согласно правилу Монтзингера, превышение допустимой температуры на 7 ºС уменьшает срок службы изоляции в 2 раза. Максимально допустимые температуры наиболее нагретой точки обмотки для разных классов изоляции следующие: Е – 120 ºС; В – 130 ºС; F – 155 ºС; Н – 180 ºС. 2. Перегрузочная способность. Для двигателя постоянного тока она лимитируется условиями коммутации, для двигателей переменного тока – критическим моментом. 3. Условия пуска. Они должны исключить его длительность, «вялость». 4. Динамические характеристики. В частности, максимальное ускорение, что особенно характерно для регулируемого привода станков и роботов. Обычно предварительно выбранный двигатель проверяют по нескольким критериям, при этом выбор носит итеративный характер в случае несоответствия какому-либо критерию. Ограничимся в основном выбором двигателя по нагреву. Источником нагрева являются потери мощности – постоянные, условно не зависящие от нагрузки (потери на перемагничивание, механические, в обмотках возбуждения), и переменные, пропорциональные квадрату тока якоря или токов статора и ротора – потери в меди. Теорией электрических машин доказано, что максимальное значение КПД достигается при равенстве переменных потерь постоянным. При определении потерь энергии в переходных режимах обычно пренебрегают постоянными потерями, учитывают лишь переменные потери в виду относительно больших значений токов. Особенно это относится к пусковым режимам. Для точного определения этих потерь следует знать 13 закон изменения тока в переходном режиме. Далее эта зависимость подвергается интегрированию за время цикла пуска. На рис. 1.10 приведена зависимость КПД двигателя от нагрузки. Любой электродвигатель представляет собой весьма сложную термодинамическую неоднородную систему, состоящую как минимум из 7 подсистем: проводника, изоляции и стали неподвижной части машины, проводника, изоляции и стали подвижной (вращающейся) части и конструктивных элементов. Расположение мест тепловыделения и конфигурация циркуляции тепловых потоков могут быть самыми разнообразными. Кроме того, сами эти подсистемы неоднородны, например, обмотки можно рассматривать как совокупность базовых и лобовых частей, наиболее напряженных в тепловом отношении. В инженерной практике двигатель рассматривают в тепловом отношении в виде некоторой тепловой модели. Рассмотрим несколько таких моделей в порядке их усложнения и убывания степени допущений. Первая тепловая модель. В наиболее простом случае двигатель представляется в виде однородного в тепловом отношении тела с бесконечно большой теплопроводностью, одинаковой температурой, постоянными тепловыми параметрами и теплоотдачей, пропорциональной перегреву относительно температуры среды. Составим уравнение теплового баланса за время: d1 d2 d3 , где d1 Pdt – выделившаяся тепловая энергия; d2 Cd – количество теплоты, необходимое для повышения темпера- туры двигателя на 1 ºС; C –тепло мкость, Дж/К; – превышение температуры двигателя над температурой окружающей среды, обычно нормируемое на уровне 40 ºС; d3 А dt – теплота, отдаваемая в окружающую среду; A – теплоотдача, Вт/К. Тогда Pdt Cd A dt или, деля на dt: C d A P dt . Разделим члены уравнения на А, в результате имеем Cd y Adt , 14 где y – установившееся превышение температуры, найденное при установившемся тепловом режиме при d / dt 0 . Обозначив постоянную времени нагрева T0 через C/A, будем иметь T0 d y dt . Судя по этому линейному неоднородному уравнению первого порядка, первая тепловая модель представляет собой инерционное звено первого порядка. При этом уравнение переходного процесса (изменения температуры) имеет вид (t ) y (0 y ) et /T 0 , где 0 (0), а передаточная функция по нагреву W0 ( p) ( p) P( p) 1/ A 1 T0 p . Таким образом, при включении двигателя на постоянную нагрузку установившееся тепловое состояние будет достигнуто спустя время, равное 3÷4 T0. В реальных двигателях постоянная времени нагрева T0 равна постоянной времени охлаждения T0` только в случае независимой вентиляции. В остальных же случаях T0 T0 / 0 , где 0 – коэффициент ухудшения охлаждения. Например, для закрытых самовентилируемых двигателей 0 0, 45 0,55 , поскольку при неподвижном роторе условия вентиляции ухудшаются и теплоотдача уменьшается. Вторая тепловая модель. Она состоит из двух тел (рис. 1.11): одно – медная обмотка, другое – стальной сердечник. Для краткости их называют медь и сталь. Для каждого из них справедливы допущения, принятые в первой модели. Тогда система уравнений, определяющая баланс энергии, имеет вид Pdt A12 (2 1 )dt A1 1dt C1d1 1 ; P2 dt A12 (1 2 )dt A2 2 dt C2d2 , где индексы 1 относятся к медным обмоткам, индексы 2 – к стали. Характерно, что направление теплообмена уже не явно определено, как у первой модели, а зависит от соотношения температур меди и стали. 15 Рис. 1.10 Рис. 1.11 16 Рис. 1.12 Рис. 1.13 17 Деля обе части уравнения системы на dt, имеем d1 dt , d P2 A12 (1 2 ) A2 2 C2 2 dt . P1 A12 (2 1 ) A1 1 C1 Запишем эту систему в виде матричного уравнения состояния, разрешив е относительно производной: 1 A1 A2 A12 1 1 C1 C2 C1 d A1 A12 dt A12 0 C2 2 2 C2 P1 0 1 C2 P2 . При этом потери в меди обычно приравниваются к переменным потерям, а потери в стали – к постоянным. Тогда в стационарном режиме производные приравнивают к нулю и находят установившиеся значения превышения температуры: 1 ( A2 A12 ) P A12 P2 A1 A2 A12 ( A1 A2 ) 2 A12 P ( A1 A12 ) P2 A1 A2 A12 )( A1 A2 ) ; . Главное значение имеет температура меди, поскольку е изоляция является наиболее уязвимой в тепловом отношении. При этом целесообразно, как и в случае первой модели, введение передаточных функций: W1 (p) – по потерям в меди, W2 (p) –по потерям в стали. С учетом этого в операторной форме запишем 1 ( p) W1 ( p) P1 ( p) W2 ( p) P2 ( p) . Данное уравнение может быть проанализировано методами теории автоматического управления, в результате чего находят искомое значение превышения температуры. Третья тепловая модель. Она обычно имеет два варианта. Для машин переменного тока, в первую очередь асинхронных короткозамкнутых, к телам второй модели добавляется третье – изоляция статора (рис. 1.12). В случае машин постоянного тока может применяться вариант, показанный на рис. 1.13. При этом якорь представляет собой нагретую зону 1, передающую тепло среде 2, которая, в свою очередь, связана с корпусом (индуктором) 3. И для первого, и для второго случая составляется система из трех уравнений, учитывающая 18 условия теплообмена. Решение ее, например операторным методом, позволяет найти соответствующие превышения температуры. Более сложные тепловые модели учитывают уже форму тепловыделяющих и теплопроводящих элементов, неравномерное распределение тепловыделения, прогрев поверхностными источниками, многослойные структуры, а также различные химические связи: кондуктивные (при прикосновении), конвективные (через промежуточный теплоноситель), или кондуктивно-конвективные. Характер изменения температуры двигателя в большей степени не определяется режимом его работы. Режимы работы весьма различаются между собой. Обычно двигатель предназначается для определенного режима работы, называемого номинальным. Номинальные режимы нормируются. Всего существует 8 таких режимов, из них первые три являются основными. Продолжительный номинальный режим. Нагрузка имеет неизменный характер, при этом температура двигателя достигает установившегося состояния за время, равное 3-4 постоянным времени нагрева, если исходить из первой тепловой модели (рис. 1.14). Кратковременный режим. Неизменная нагрузка приходится на время, недостаточное для установления неизменной температуры. После отключения двигатель остывает до температуры среды при допустимой невязке 2 ºС. Продолжительность работы нормализована на уровне 15; 30; 60; 90 мин (рис. 1.15). Повторно-кратковременный номинальный режим. Наиболее распространен для приводов, применяющихся в робототехнике и ГПС. Характеризуется тем, что нагрузка имеет циклический характер и имеет как кратковременные периоды неизменной нагрузки, так и короткие паузы, прич м за время работы температура не достигает установившихся значений, а за время пауз двигатель не успевает охладиться до окружающей среды. Согласно рис. 1.16 можно говорить лишь о некоторой средней температуре. Максимальная продолжительность цикла принята 10 мин. Продолжительность включения ПВ – отношение продолжительности работы к продолжительности цикла – выражается в процентах и составляет 15; 25; 40; 60 %. Имеется повторно-кратковременный режим с частыми пусками (четвертый) и с пусками и электрическим торможением (пятый). Шестой, перемежающийся режим, напоминает повторно-кратковременный 3, с тем, однако, отличием, что во время пауз двигатель не отключается, а работает вхолостую. Седьмой режим – это разновидность перемежающегося режима с частыми реверсами. Восьмой – также перемежающийся, но с двумя и более скоростями. Практически даже выбор двигателя для продолжительного режима представляет собой непростую задачу, поскольку зачастую нагрузка не постоянна, а периодически меняется. Это особенно характерно для станков19 автоматов и другого автоматического оборудования. Следовательно, предварительно выбирают двигатель по некоторой средней мощности, а затем проверяют по нагреву (по одному из следующих методов): 1. Прямая проверка заключается в построении графика превышения температуры согласно выбранной модели нагрева. 2. Все остальные методы относятся к косвенным. Первым из них является метод средних потерь. Определяют потери предварительно выбранного двигателя на каждом участке графика нагрузки (рис. 1.17), после чего находят средние потери Pcp 1 n Pk tk tц k и сравнивают с номинальными Pн . Если ΔРср < ΔРн, то двигатель выбран правильно. 3. Метод эквивалентного тока. В случае если известна зависимость тока от времени цикла, то определяют эквивалентный ток Iэ 1 n 2 I k tk tц k . Если I э I н , то двигатель выбран правильно. 4. Метод эквивалентного момента основывается на предположении пропорциональной зависимости между током и моментом, что позволяет потоку определить момент. Также иногда известен график нагрузочных моментов. И в том, и в другом случае находят эквивалентный момент Mэ 1 M k2 tk tц , который сопоставляется с номинальным M н : для правильно выбранного двигателя Mэ Мн . 5. Метод эквивалентной мощности. Определяются мощности на каждом участке графика нагрузки, обычно при номинальной скорости. Определяют эквивалентную мощность Pэ 1 n 2 Pk tk tц k , а затем выбирают двигатель с Pэ ≤ Рн. Этот метод наименее прост, но он широко применяется, так как удобен для расч тов. 20 Рис. 1.14 Рис. 1.15 Рис. 1.16 Рис. 1.17 21 Для повторно-кратковременного режима, кроме выбора мощности, важное значение имеет величина ПВ. Если она не совпадает с нормированной, то реальные параметры цикла заменяются эквивалентными по потерям ближайшего нормированного цикла. 1.3. Выбор передаточного числа редуктора В том случае, если при вводе значительную роль играют динамические нагрузки, появляется возможность значительного варьирования передаточным числом i. При этом с увеличением i быстро уменьшается приведенный к валу двигателя момент инерции нагрузки и, следовательно, уменьшается время разгона до номинальных оборотов и торможения до нуля. Вместе с этим уменьшается номинальная скорость установившегося движения исполнительного звена. При уменьшении i скорость установившегося движения раст т, но время разгона и торможения увеличивается. В связи с этим возникает задача выбора оптимального i, при котором время перемещения груза по координате было бы минимальным. Оптимальное передаточное отношение редуктора при учете требований динамики в части обеспечения максимально возможного быстродействия определяется из выражения: iопт 3m2 2 ( 3m2 )2 m2 2 . Эту формулу можно получить, рассматривая трапецеидальную диаграмму скорости рабочего механизма при отработке заданного перемещения (рис. 1.18). Длительность перемещения описывается выражением t max max 2 1 1 p T , где – заданное перемещение; p и T – ускорения при разгоне и торможении. Эти ускорения могут быть представлены как p i M д М мех i M д М мех T 2 I д i I мех , I д i 2 I мех , где I д и I мех – моменты инерции двигателя и механизма относительно своих осей; M д – момент двигателя; М мех – статический момент нагрузки на оси механизма. 22 Для упрощения принимают M д = const и М мех = const и обозначают: I мех M мех М h д m Iд M д.max , Iд , , где – коэффициент допустимой форсировки двигателя по моменту. Перепишем уравнение с учетом принятых обозначений и значений p и T : i i2 t max max h i 2 m2 . Для нахождения оптимального значения iопт берут производную от полученного выражения по i и определяют условие экстремума: i 4 3m2 i 2 m2 0 , отсюда и получают приведенную выше формулу. Как правило, статический момент, приведенный к оси двигателя, в следящих системах, в том числе в приводах роботов, составляет 15–25 % от номинального момента двигателя или 8–12 % от пускового. Следовательно, если передаточное отношение редуктора, например, составляет 75–400, то соответственно m лежит в диапазоне (5÷50). При таких значениях параметра m оптимальное значение передаточного отношения редуктора существенно зависит от расчетной статической нагрузки. На рис. 1.19 приведены расчетные кривые оптимального передаточного отношения от величины при различных значениях m. Как следует из кривых, при существенных изменениях относительных параметров m и оптимальное значение передаточного отношения редуктора лежит в достаточно узких пределах. При этом нижний участок диапазона относится к роботам малой грузоподъемности, а верхний – к роботам большой грузоподъемности. Параметр m оказывает большее влияние на іопт, чем . 23 Рис. 1.18 Рис. 1.19 Рис. 1.20 24 1.4. Электропривод постоянного тока Рассмотрим некоторые типовые примеры электроприводов промышленных роботов. Схема привода с двигателем постоянного тока приведена на рис. 1.20, где приняты следующие обозначения: R – потенциометр обратной связи; A1 – суммирующий усилитель (на интегральной микросхеме); УМ – усилитель мощности; ИД – исполнительный двигатель; КЗ – корректирующее звено; I – редуктор; U,х – входной сигнал. Питание привода осуществляется от источника И, имеющего среднюю точку. На вход А1 поступает рассогласование, определяемое разностью Uвх и напряжением потенциометра R1. Два силовых нелинейных элемента образованы парами VTз, VT4, VT5 и VT6. Якорь ИД включен между средней точкой Uв и общей точкой силовых элементов, управляемых с помощью VТ1 и VT2. Управление VТ1 и VT2 осуществляется от А1. Стабилизация питания А1 и потенциометра R1 обеспечивается с помощью параметрического стабилизатора на VD5, VD6, R13, R14. При неподвижном якоре ИД и нулевом сигнале на выходе A1 все транзисторы находятся на границе режима отсечки. Подача Uвх приводит к тому, что на выходе А появляется напряжение. Если выход А1 имеет положительный потенциал относительно точки 1, то транзистор VT1 переходит в активную область, а VT2 – в режим отсечки. Так как VT1 и VT2 имеют различную проводимость, то они могут одновременно находиться в активной области. Переход VT2 в активную область приводит к увеличению проводимости цепи: «плюс» Uп – эмиттер – база VT6 – R6 – коллектор VT2 – эмиттер – точка 2. В результате VT6 и VT5 переходят в активную область. По мере увеличения сигнала на выходе A транзисторы VT2 и VT6 переходят в режим насыщения, а VT5 будет близок к насыщению. В этом случае напряжение коллекторэмиттер VT5 Uкз меньше Uп, а напряжение на якоре Uя = Uп. Транзистор VT1 в режиме отсечки практически не изменяет состояния VT3 и VT4, по сравнению с исходным, и поэтому токами VT3 и VT4 коллекторов можно пренебречь. Изменение полярности UА1 вызывает переход VT2 в режим отсечки, а VT1 – в активную область. VT3 и VT4 переходят в активную область, а VT5 и VT6 будут находиться на границе режима отсечки. Полярность на ИД будет противоположной. Коррекция осуществляется с помощью форсирующего звена R15, R2, C2. Механические характеристики имеют вид, изображ нный на рис. 1.21, где M – момент, α – угловая скорость, 1 и 2 – естественные характеристики ИД, 3 и 4 – характеристики, соответствующие активной области силовых транзисторов при фиксированных точках управления. 25 Система У–Д способна обеспечить значение M и α ограниченных естественными характеристиками ИД. Вне зоны насыщения усилителя М не зависит от α, так как усилитель обладает свойством источника тока. Введение отрицательной обратной связи (ООС) по напряжению, регулируемому с помощью R15, R2, позволяет компенсировать разброс параметров транзисторов, нелинейность их характеристик и обеспечить стабильность коэффициента усиления по напряжению. Если применить ОС по току якоря, то усилитель будет обладать свойствами источника тока. Реализация такой OС требует введения датчика тока в простейшем случае резистора R2, выбранного из условия. Как недостаток схемы следует отметить, что в зоне больших сигналов, когда ИД выходит на естественную характеристику, напряжение на одном из силовых транзисторов вдвое больше максимального напряжения на якоре. Для повышения коэффициента использования силовых транзисторов следует перейти к мостовой схеме выходного каскада, применив дополнительный инвертирующий усилитель и два комплекта основных усилителей (рис. 1.22). Блоки У и У´ включают в себя усилители А1 и предварительные каскады: усилитель А2 обеспечивает инвертирование Uвх (R1 / R2 = 1). При этом Uп max = 2 Uп, а коэффициент усиления увеличивается вдвое. 1.5. Электропривод переменного тока Электропривод переменного тока рассмотрим на примере привода с асинхронным трехфазным двигателем. АДД представляет собой электрическую машину с двумя обмотками, магнитные оси которых сдвинуты на 90º размещенными на статоре. Ротор АДД имеет два исполнения: короткозамкнутое (к.з.); полое, которое можно рассматривать как к.з. с бесконечно большим числом стержней, расположенных друг от друга на бесконечно малом расстоянии. В последнее время освоен выпуск АДД с к.з. ротором так называемый сквозной конструкции (типа ДКИ). У них статор и наружное кольцо подшипников имеют одинаковый диаметр, что позволяет обеспечить расточку за один установ. Это повысило точность при сборке, позволило уменьшить зазор до 39–50 МКМ, а следовательно, существенно снизить ток намагничивания, габариты. Основные достоинства АДД следующие: отсутствие трущихся контактов; малый момент трения; большой ресурс и надежность. При этом динамические показатели удовлетворительны. 26 Рис. 1.21 Рис. 1.22 27 Все способы управления можно разбить на симметричные (поле в машине при любых управляющих сигналов оста тся круговым) и несимметричные (поле искажается, становится эллиптическим). К симметричным способам относятся изменение частоты питающего напряжения и изменение числа пар полюсов. При этом не обеспечивается широкий диапазон регулирования скорости. К несимметричным относятся амплитудный, фазовый и конденсаторный способы. При амплитудном способе сдвиг по фазе между напряжениями на обмотках постоянен и равен π/2. Изменение эллиптичности осуществляется путем изменения амплитуды на обмотке управления. При фазовом способе амплитуда напряжений постоянна, меняется фаза между напряжениями. При конденсаторном способе сдвиг по фазе между напряжениями на обмотках АДД осуществляют включением последовательно с обмоткой возбуждения конденсатора, а скорость регулируют изменением амплитуды на ОУ. Отличие от амплитудного способа состоит в том, что амплитуда и фаза на ОВ не остаются постоянными, так как изменяется падение напряжения на конденсаторе. Рассмотрим привод с амплитудным управлением АДД (рис. 1.23). На этом рисунке: А1 – суммирующий усилитель на интегральной микросхеме; КМ – ключевой модулятор; УМ – усилитель мощности; Еп – напряжение однофазной сети питания; КЗ – корректирующее звено. На входе А1 суммируются сигналы постоянного тока Uвх, Uп, Uкз. Выходной сигнал UA1 преобразуется КМ в сигнал переменного тока, напряжение коммутации Uк сдвинуто по фазе относительно Eп с помощью фазовращателя на π/2. Знак фазового сдвига определяется полярностью UA1. Далее сигнал усиливается УМ, к выходу которого подсоединена ОУ. В результате АДД через редуктор 1 поворачивает выходной вал и движок потенциометра R1. Стабилитроны Д1 и Д2 обеспечивают защиту от перенапряжения. R3 служит для балансировки A1, а цепь C2, R11 – для коррекции A1. Ключевой модулятор включает в себя интегральные прерыватели, выходной трансформатор и коммутирующий. УМ выполнен на базе линейного усилителя. При конденсаторном управлении исключается С5 и включается фазосдвигающий конденсатор последовательно с ОВ. 28 Рис. 1.23 29 1.6. Линейный электропривод Линейный безредукторный привод ещ не получил в робототехнике большого распространения, однако в этом направлении проводятся широкие научные исследования. Основным преимуществом линейного привода является отсутствие кинематических цепей для преобразования вращательного движения в линейное, что существенно упрощает кинематику, повышает надежность, может благоприятно сказаться и на массогабаритных показателях. Кроме того, становится возможным реализация чисто электрического торможения. Рассмотрим следующие виды линейного привода ПР: – электромагнитный; – привод для микроподач; – асинхронный; – синхронный; – шаговый; – постоянного тока; – электродинамический. 1. Электромагнитный привод. Электромагниты состоят из катушки с обмоткой, неподвижного ферромагнитного ярма и подвижного якоря, отделенного от ярма рабочим и паразитным зазорами. Различают электромагниты с втягивающимся якорем, с внешним поперечно-движущимся якорем. Собственное время срабатывания электромагнитов лежит в пределах 0,06÷0,10 с. Электромагнитные двигатели, разработанные в институте электродинамики Украины, обеспечивают: тяговое усилие на единицу мощности – 800–2000 Н/кВт; на единицу массы – 20–40 Н/кг; диапазон скорости по нижнему пределу – не имеет ограничений, по верхнему пределу – до 1 м/с; диапазон тяговых усилий – 5÷5*103 Н; точность позиционирования – 0.2 + 0.5 мм (при отсутствии ограничений по величине свободного хода). Привод поворотного движения имеет диапазон развиваемого момента 1÷500 Н*м. Привод возвратно-поступательного движения имеет: рабочий ход 5÷100 мм. тяговое усилие 10÷1000 Н. 2. Механизмы микроподач. Для точного позиционирования применяются приводы для микроподач, которые обеспечивают точность позиционирования до десятых долей микрометра. Данное устройство особенно часто применяется в ПР, осуществляющих сборку прецизионных узлов. 30 Рис. 1.24 Рис. 1.25 Рис. 1.26 Рис. 1.27 31 Если требуется обеспечить перемещение на небольшую величину, в системе подачи используют упругий стержень 1, который поочередно зажимают специальными зажимами 2 и 3 (рис. 1.24). При включении зажима 2 стержень один сжимается под действием привода 4, после чего включается зажим 3, а зажим 2 выключается. Стержень восстанавливает свою длину, перемещая ведомое звено 5 на величину, зависящую от длины стержня, сечение и силы, развиваемой приводом. В термодинамическом приводе (рис. 1.25) использовано явление теплового расширения стержня 1, связанного с ведомым звеном 2 и неподвижной частью 3. Внутри стержня помещен нагреватель 4, а снаружи холодильник 5. Здесь возможно перемещение на небольшую величину с большой точностью и ж сткостью. Недостатком является инерционность привода. В магнитострикционном приводе (рис. 1.26) использован эффект изменения длины стержня из ферромагнитного материала под действием магнитного поля. Обычно применяют конструкцию зажимами аналогично вышеописанным. Привод обладает малой инерционностью, большой ж сткостью, стабильностью в работе. 3. Линейные асинхронные двигатели (ЛАД). ЛАД представляет собой «развернутую» асинхронную машину и состоит из индуктора, возбуждающего в зазоре бегущее магнитное поле, и вторичной части, наведенные токи в которой взаимодействуют с полем индуктора первичной части. В результате образуется механическая сила – тяговое усилие. Основная волна магнитной индукции бегущего поля описывается уравнением B x, t B1m cos t x , где В – амплитуда первой гармоники поля; ɷ – угловая частота тока в обмотке индуктора; t – время; – полюсное деление; х – координата. В отличие от вращающего поля бегущее поле совершает поступательное движение синхронной скоростью: V dx / f , dt где f – частота; λ = 2 – длина волны бегущего поля. Тяговое усилие ЛАД в направлении оси X в общем случае определяется как объемный интеграл: F ( x) j y b z dV , 32 где j y – плотность тока в направлении оси Y в теле вторичной части ЛАД (ось Y лежит в одной плоскости с X и перпендикулярна ей); b z – индукция в зазоре в направлении оси Z (ось Z перпендикулярна плоскости X Y); dV – элемент объема тела вторичной части. Основное конструктивное отличие ЛАД от обычных АД обусловливают следующие особенности: 1. Разомкнутый магнитопровод первичной части приводит к образованию сплошного спектра гармоник намагничивающей силы. 2. Ограничение продольных и поперечных размеров индуктора и вторичной части приводит к появлению краевых эффектов: концевого (продольного) и бортового (поперечного). 3. Краевой и бортовой эффекты ухудшают тяговое усилие, коэффициент мощности и КПД. Несмотря на это, ЛАД является перспективным для устройства передвижения транспортных роботов вследствие надежности, отсутствия кинематических погрешностей. 4. Синхронные линейные двигатели (СЛД). Имеются два основных типа СЛД: со вторичной частью, выполненной в виде шихтованных пакетов (рис. 1.27), расположенных на расстоянии двух полюсных делений друг от друга, и со вторичной частью с обмоткой возбуждения. СЛД включает в себя: магнитопровод, сердечники с обмоткой (индуктор), вторичную часть, обмотку возбуждения. Взаимодействие вторичной части СЛД с индуктором, по сравнению с вращающимися машинами, отличается следующим: 1) вторичная часть взаимодействует с индуктором в течение короткого времени; 2) магнитная связь между частями СЛД изменяется во время набегания от нуля до максимума, а во время сбегания – в обратном направлении; 3) индуктивные сопротивления фаз индуктора несимметричны. Основные области применения СЛД в приводе ПР – те же, что и для ЛАД. 5. Линейные шаговые двигатели (ЛШД). ЛШД весьма перспективны для ПР и представляют собой линейный вариант классического шагового двигателя. Разработана конструкция двухкоординатного ЛШД, зазор между вторичной и первичной частями которого обеспечивается с помощью воздушной подушки. Основные достоинства этого двигателя заключаются в высокой точности отработки сигнала по перемещению подвижной части. 6. Линейные двигатели постоянного тока (ЛДПТ). Существуют две большие группы ЛДПТ: с развернутым коллектором представляет собой развернутый вариант обычной машины постоянного тока. Один из таких двигателей показан на рис. 1.28. 33 Неподвижная первичная часть 1 имеет обмотку, секционированную таким образом, что в каждый момент несколько смежных секций замыкаются с помощью контактных роликов 2 и 3, которые перемещаются одновременно с подвижной вторичной частью 4. Ролики 2 и 3 во время движения соединяют питающие провода 5 и 6 с соответствующими секциями обмотки индуктора. При подключении индуктора к источнику тока на вторичную часть, находящуюся в поле этой обмотки, действует сила, заставляющая ее перемещаться. В робототехнике такой ЛДПТ может найти применение для таких целей, что и ЛАД и СЛД. Цилиндрические ЛДПТ не имеют непосредственных предшественников среди вращающихся машин. Нашли распространение две основные конструкции цилиндрического ЛДПТ: бесколлекторные (рис. 1.29) и коллекторные (рис. 1.30). Оба двигателя имеют стержневой сердечник якоря 1 с обмоткой 2, обмотку возбуждения 3, полюсные сердечники 4, ярмо 5. В первом случае применен броневой магнитопровод, во втором – стержневой. Коллекторный двигатель снабжен щетками 6. Взаимодействие поля индуктора с полем обмотки возбуждения создает тяговую силу, которая в бесколлекторной конструкции действует лишь на расстоянии, равной длине секции обмотки 2. В коллекторной машине на внешней поверхности однослойной обмотки 2, намотанной медным эмалированным проводом, удалена изоляция в месте контакта проводников со щ ткой так, что образуется «дорожка» вдоль всего якоря. От источника питания ток в обмотку якоря 2 поступает на «дорожку» через щ тки 6, укрепл нные вместе с магнитопроводом обмотки возбуждения. В этом случае длина якоря, а следовательно, и ход двигателя могут быть неограниченно большими, причем работает только та часть обмотки, которая заключена между щ тками. Указанные двигатели весьма перспективны для привода транспортных степеней подвижности ПР. Рассмотренная цилиндрическая конструкция в настоящее время применяется и для ЛАД, при одновременном применении так называемой измельченной структуры активного слоя (рис. 1.31), когда элементарным зубцом становится тонкий стальной лист, а элементарным пазом – тонкий слой проводника. Для ЛАД, разработанных в НЭТИ, были получены следующие показатели (табл. 2): Таблица 2 Номер двигателя Скорость движения поля, м/с ПВ, % Усилие на ед. массы, Н/кг 1 2 0,6 0,6 25 2,5 25 49 34 Усилие на ед. Мощность, площади отнесенная активной к усилию, поверхности, В*А/Н Н/см2 1,2 10 4 8,46 Рис. 1.28 Рис. 1.29 Рис. 1.30 35 Рис. 1.31 Рис. 1.32 Рис. 1.33 36 В последнее время разработаны бесколлекторные линейные вентильные двигатели (ЛВД). Привод обеспечивает перемещения со скоростью 20 м/мин. На станке для сверления печатных плат достигается 600 циклов в минуту. Такой двигатель весьма перспективен для ПР. 7. Линейные электродинамические двигатели (ЛЭД). Известные модели тихоходных линейных электродвигателей постоянного и переменного тока обладают сравнительно низкими массогабаритными показателями: развивают тяговые усилия от 25 Н/кг (при ПВ = 25 %) до 49 Н/кг (при ПВ = 2,5 %). Массогабаритные показатели могут быть существенно повышены путем использования непосредственного электродинамического взаимодействия антипараллельных токов. В состав таких установок входит батарея конденсаторов, разряжающаяся на контур с током. Данные устройства используются в объемной штамповке, при моделировании силовых возмущений в поляризационнооптических измерениях. В последнее время разработаны образцы электродинамического двигателя, являющегося устройством многократного преобразования электрической энергии в механическую при помощи электродинамического взаимодействия параллельных токов. Силовой элемент такого двигателя образован (рис. 1.32) двумя расположенными рядом и соединенными последовательно гофрированными лентами 1 и 2. Два неподвижных участка лент 3 и 4 соединены с источником питания. В корпус 5 помещены ленты 1 и 2 с изоляционными пластинками 6 и вкладыш 7 со штоком 8. Вкладыш притянут пружиной 9. Запишем уравнение движения двигателя в виде ∑ ∑ где FjЭ – электродинамическое усилие взаимодействия двух проводников (двух перегибов) гофрированной ленты; n – число перегибов; Fy – сила упругости пружины; – сила внутреннего трения в местах перегиба упругой ленты; – сила трения в поступательной паре; – сила статических сопротивлений в механизме; m – масса движущихся частей; V – скорость перемещения; t – время. Определим электродинамическое усилие. Для этого воспользуемся расчетной схемой, показанной на рис. 1.33. Виток (гофр) ленты представлен в виде трех участков: двух параллельных АВ и ЕД и одного образованного проводниками ДС и ВС, расположенными под углом. 37 Расстояние между проводниками равно l, длина каждого проводника ln. Пренебрегая взаимодействием на участке ВСД для случая проводников конеч, имеем классическую формулу теоретической электротехной длины при ники где i – ток в проводнике; ЛЭД. = 2l/d – геометрический фактор. Рассмотрим некоторые результаты исследования экспериментального Техническим заданием было предусмотрено расчетное усилие 0,5 Н при токе 40 А: максимальное развиваемое усилие – 0,5 Н; максимальное перемещение подвижного элемента – 0,63 мм; пределы изменения тока – 10÷50 A; полная масса двигателя (силового элемента с корпусом и возвратной пружиной) – 7 г; удельное тяговое усилие на один килограмм массы – 71,4 Н/кг; питание – сеть 50 Гц; КПД – 0,25 %; потребляемая мощность – 20 Вт. Величина перемещения подвижного элемента может быть существенно увеличена путем использования ленты не с двумя, а с большим числом витков. При этом суммарное перемещение ∑ где Sj – перемещение одной пары взаимодействующих проводников. Рассматриваемое электродинамическое устройство является тихоходным линейным двигателем ограниченного возвратно-поступательного движения. Сочетание низкого КПД с высоким удельным тяговым усилием позволяет рекомендовать применение данного двигателя в маломощных механизмах с поступательным движением рабочих органов, например, в микроманипуляторах промышленных роботов, предназначенных для электронной промышленности. Двигатель обладает конструктивной и технологической простотой, в частности, отсутствуют ферромагнитные части, нет надобности в обмоточных роботах. Это повышает надежность привода. 38 1.7. Шаговый электропривод В общем случае шаговый двигатель (ШД) синхронного типа представляет собой m-фазную машину, обмотки которой возбуждаются ступенчатыми напряжениями (рис. 1.34) [21]. Каждому импульсу соответствует операция переключения фаз ШД, смещающая картину распределения магнитного поля и положение устойчивого равновесия ротора, что приводит к перемещению на один шаг. Последовательный перебор комбинаций включенных фаз может соответствовать симметричной коммутации (когда в каждой из комбинаций включено одинаковое четное или нечетное число фаз), например, переход от μ 1(φ) к μ2(φ), μ2(φ), μ3(φ) или от μ1(φ) + μ2(φ) к μ1(φ) + μ2(φ) и к μ2(φ) и т.д. (рис. 1.35.). Вид коммутации фаз ШД характеризуется числом тактов коммутации n, равным числу комбинаций включенных фаз при их последовательном переборе до повторения начальной комбинации, т.е. за цикл коммутации. Если комбинации в цикле изобразить точками по окружности, то за один цикл можно совершить один оборот (например, при поочередном возбуждении фаз через одну или две). Число таких оборотов соответствует числу заходов коммутации S. Это характерно для ШД с m > 3. В общем случае величина шага (в эл. радианах) определяется как . Механический шаг составляет: – для вращающихся ШД (ВШД); – для линейных ШД (ЛШД), где p – число пар полюсов ротора; τ – полюсное (зубцовое) деление. Устойчивые состояния соответствуют максимуму энергии магнитной системы. При отклонении ротора от устойчивого состояния на него начинают действовать вращающие усилия: ( ) ( ) – для ВШД; ( ) ( ) – для ЛШД, где ( ) – момент; F (x) – сила; – угол; x – смещение; – электромагнитная энергия. Характеристики этих усилий в общем виде содержат бесконечный спектр гармоник: ( ) ∑ ( ) ( ) ∑ ( ) где ν – номер гармоники; у, х – текущие значения координат; ун, хн – начальные фазы ν-той гармоники. 39 На практике учитывается только первый член ряда (рис. 1.36) или лишь первая гармоника. Ее амплитуда определяется как максимальный статический синхронизирующий элемент Мmах или сила Рmах. Различают два основных режима работы ШД: статический – коммутация фаз не производится, и длительное время возбуждена одна из комбинаций; и режим перемещения – осуществляется последовательным перебором комбинаций. Режим перемещения разделяют на режим приемистости, когда частота коммутации изменяется по произвольному скачкообразному закону, и режим плавного изменения частоты. Рабочие свойства ШД в первом случае ограничиваются предельной динамической характеристикой 1 (рис. 1.37) и определяются параметрами ШД: усилием и инерционностью нагрузки. Во втором случае рабочие свойства ШД ограничиваются предельной механической характеристикой 2 и определяются способом регулирования фазного напряжения в функции частоты. Влияние инерционности нагрузки и ротора исключается. ВШД реализуются на базе асинхронных машин (величина шага составляет от 15 до 60°), сельсинов и синхронных двигателей. Рассмотрим синхронные ШД как наиболее распространенные. Они разделяются на двигатели с жесткой и гибкой связью между подвижным и неподвижным элементами. Гибкая связь обычно имеет магнитный характер. Жесткие связи могут выполняться на основе системы храповых механизмов, толкателей, защелок, фиксаторов или на основе катящихся и гибких волновых роторов. По виду перемещения ротора относительно воздушного зазора ШД разделяются на двигатели с перпендикулярным перемещением (волновой и катящийся роторы) и с параллельным перемещением (на базе обычных СД). Пример ШД с катящимся ротором представлен на рис. 1.38, где изображен статор 1 с катушками 2, попеременно подключаемыми к источнику напряжения U. Ротор 3 эксцентрично расположен в расточке статора. При шаговом вращении поля статора ротор обкатывается по расточке, совершая одновременно редуцированное вращение вокруг собственной оси, которая с помощью зубчатых передач передается выходному валу. Двигатели с волновым ротором отличаются тем, что их тонкостенный полый ротор, выполненный из ферромагнитного материала, может деформироваться под действием сил магнитного притяжения. Ротор приобретает форму многоугольника, число выступов-вершин которого совпадает с числом полюсов поля. Деформации ротора ограничиваются цилиндрическими направляющими, на которые ротор опирается непосредственно или через гибкие катки. Вращение на выходной вал передается от ротора через зубчатые муфты. По сравнению с катящимся, гибкий ротор обладает меньшим моментом инерции и обеспечивает работу без шума и вибрации. 40 Рис. 1.34 Рис. 1.35 Рис. 1.36 Рис. 1.37 41 Рис. 1.38 Рис. 1.39 Рис. 1.40 42 Пример ШД с катящимся ротором представлен на рис. 1.38, где изображен статор 1 с катушками 2, попеременно подключаемыми к источнику напряжения U. Ротор 3 эксцентрично расположен в расточке статора. При шаговом вращении поля статора ротор обкатывается по расточке, совершая одновременно редуцированное вращение вокруг собственной оси, которая с помощью зубчатых передач передается выходному валу. Двигатели с волновым ротором отличаются тем, что их тонкостенный полый ротор, выполненный из ферромагнитного материала, может деформироваться под действием сил магнитного притяжения. Ротор приобретает форму многоугольника, число выступов-вершин которого совпадает с числом полюсов поля. Деформации ротора ограничиваются цилиндрическими направляющими, на которые ротор опирается непосредственно или через гибкие катки. Вращение на выходной вал передается от ротора через зубчатые муфты. По сравнению с катящимся, гибкий ротор обладает меньшим моментом инерции и обеспечивает работу без шума и вибрации. ВШД на базе СД подразделяются на переменно-полюсные (с активным ротором) и ШД с переменным магнитным сопротивлением (с пассивным ротором). Переменно-полюсные ШД имеют расщепленные обмотки, питаемые однополярными прямоугольными напряжениями. Схема двухфазного ШД, обмотка которого для упрощения коммутирующего блока расщеплена на 4, показана на рис. 1.39. При поочередном перебрасывании каждого из ключей (такт коммутации) поле статора смещается на 90º. ШД с переменным магнитным сопротивлением подразделяются по типу возбуждения на индукторные, реактивные и индукторно-реактивные. У индукторных ШД имеются зубчатый пассивный ротор и гребенчатые зубцовые зоны статора, каждая из которых сдвинута относительно зубцов ротора ZR на угол 2 π / m ZR, а также контур возбуждения, образованный магнитом или совокупностью фазных обмоток, потокосцепление которого постоянно и не зависит от положения ротора. Схема индукторного ШД с самовозбуждением за счет составляющей тока в фазах изображена на рис. 1.40. Число зубцов ротора такой машины, в зависимости от числа фаз m, числа фазных зон на одну фазу q и порядка расположения фаз, определяется формулой ( ), где m и а – взаимно простые числа. При а = 1 смежные фазы занимают соседние полюсные выступы, при а = 2 – через 1 и т.д. При отсутствии индуктивных связей между фазами каждую из них можно рассматривать как дроссель, индуктивность которого периодически зависит от угла поворота ротора. В этом случае ток в фазе резко несинусоидален. Каждая фаза создает бесконечный спектр пульсирующих моментов. Основными явля43 ются два синхронных вращающих момента, один из них (активный или индукторный) пропорционален постоянной составляющей тока в фазе и равен нулю при разнополярной коммутации, другой (реактивный) пропорционален квадрату переменной составляющей тока в фазе и не зависит от постоянной составляющей. Любой трехфазный СД с циклической симметрией индуктивных связей между фазами и явнополюсным невозбужденным ротором является реактивным и может быть использован в качестве ШД. При этом потокосцепление постоянных составляющих не замыкается через зазор, вытесняется на пути рассеяния и не участвует в электромеханическом преобразовании энергии. На рис. 1.41 показана магнитная система трехфазного реактивного ШД с гребенчатыми зонами на статоре (редукторный двигатель). Взаимные электромагнитные связи симметричны, электромагнитный момент созда тся переменной составляющей тока. У индукторно-реактивных ШД (не имеющих отдельно контурного возбуждения) в условиях разнополярного управления развивается только реактивный момент, а при однополярной коммутации одновременно действуют активный и реактивный моменты, стремящиеся вращать ротор в разные стороны, соотношение между амплитудами зависит от скважности импульсов. Конструкции ЛШД с гибкой магнитной связью образуются в результате топологических преобразований вращающихся прототипов и весьма перспективны для приводов ПР. Принцип действия однокоординатного ЛШД поясняет рис. 1.42: над рядом зубцов индуктора 1, равномерно распределенных с шагом τ и, перпендикулярно оси двигателя расположены m магнито-проводов якоря 2 с фазными обмотками 3, причем шаг распределения магнито-проводов равен τи (1 ± τи/m). Контур потока фазы показан пунктиром. Имеются ЛШД, выполненные на основе магнитного винта, индуктор которых имеет две степени свободы, линейную и поворотную. Их достоинством является то, что по конструкции они незначительно отличаются от вращающихся прототипов. Однокоординатные ЛШД с плоским зазором позволяют при сочетании пары таких двигателей получать двухкоординатное перемещение на плоскости без применения направляющих кареток. Соединение этого ЛШД с вертикальным ЛШД позволяет осуществить перемещение в трехмерном пространстве, что характерно для ПР. Пример расположения индуктора 1, якорей 2 и 3 для двухкоординатного перемещения приведен на рис. 1.43. 44 Рис. 1.41 Рис. 1.42 45 Рис. 1.43 Рис. 1.44 Рис. 1.45 46 Схема одного из якорей показана на рис. 1.44, где два П-образных магнитопровода 1 и 2 охвачены магнитом 3 и фазными катушками 4 и расположены над плоским зубчатым пассивным индуктором 5. Полюсы якоря при последовательном переходе от крайнего левого к крайнему правому имеет сдвиг 0, τ/2, 2τ/4, 3τ/4, что обеспечивает при поочередной коммутации фаз возможность перераспределять поток между полюсами и смещать точку устойчивого равновесия на τ/4 вдоль стрелки в ту или иную сторону. Возможность перемещения подвижной части такого ЛШД по любой траектории в плоскости с постоянным рабочим зазором наилучшим образом реализуется в случае применения аэростатических опор, обеспечивающих при практически полном отсутствии трения гарантированный зазор, не превышающий, как правило, 20 мкм. Основное применение двухкоординатные ЛШД находят в приводах манипуляторов для автоматической сборки, укладки и распайки жгутов кабеля, перемещения и складирования грузов, проверки и распайки в процессе изготовления микросхем и т.д. По сравнению с механическими системами на основе прецизионных ходовых винтов, направляющих и кареток при той же точности позиционирования и быстродействии ЛШД на порядок и более выше. В частности, при числе фаз m = 8, величине шага 0,25 мм на реальном ЛШД получена точность позиционирования 10 мкм при рабочем поле до 2×3 м, ЛШД обеспечивают ускорение 10–20 м/с2. ШД являются разновидностью синхронных двигателей с частотным регулированием скорости, вследствие чего схемы управления ими представляют собой статические преобразователи частоты. Любая СУ ШД включает в себя в том или ином объеме следующие элементы: 1. Преобразователи входной информации – преобразователи кода и распределители импульсов. 2. Инверторы (усилители мощности или коммутаторы), переключающие фазы ШД в заданной последовательности. Они делятся на нереверсивные (для управления индукторными ШД с самовозбуждением и ШД с активным ротором при расщеплении фаз) и реверсивные (для управления ШД при нерасщепленных фазах, требующих подачи разнополярных импульсов). 3. Регуляторы напряжения (тока), как правило, выполняются импульсными и обеспечивают регулирование напряжений (токов) в функции частоты управления для поддержания постоянства момента, развиваемого ШД, и расширения диапазона рабочих частот привода. 4. Элементы обратной связи используются для построения локально– замкнутого привода (режим бесконтактного ДПТ). Инверторы для ШД выполняются в основном с явно выраженным звеном постоянного тока. Большинство инверторов для ШД являются нереверсивными, представляющими собой многоканальные усилители, число каналов которых 47 равно числу фаз, а каждый канал образован последовательно соединенными ключом и фазой. Для инверторов ШД характерна взаимосвязь элементов собственно инвертора и регулятора напряжения. Это вызвано тем, что в управлении ШД нельзя использовать обычные законы изменения фазного напряжения в функции частоты, применяемые для частотно–регулируемых приводов, так как имеется принципиальное запаздывание. Оно обусловлено заданием входной информации в виде последовательности импульсов и невозможностью измерения частоты по первым входным импульсам, которые определяют время отработки. По этой причине в приводе ШД регулирования напряжения обеспечивается только различными способами форсирования переходных процессов нарастания и спадания тока в коммутируемых фазах, что сводится к трем нижеизложенным методам ограничения тока. 1. Ограничения путем постоянного включения последовательно с фазой активного резистора – резистивная форсировка. Введение резистора снижает постоянную времени фазы ШД в kф раз (рис. 1.45): где kф – коэффициент форсирования; – постоянная времени фазы после форсирования; – сопротивления добавочного резистора; – собственная постоянная времени фазы. Иногда вводят общий резистор последовательно с группой фаз (рис. 1.46). Здесь диоды предназначены для обеспечения минимальной скорости протекания процесса спадания тока. Лучшее использование ключей по напряжению обеспечивает введение в цепь разряда источника, подключенного к фазе через диод (рис. 1.47). В этом случае форма напряжения на отключаемой фазе близка к прямоугольной, что наиболее эффективно с точки зрения как минимизации времени процесса отключения, так и установленной мощности. 2. Переключение фазы двигателя в пределах такта с повышенного уровня U на напряжение Uкз – импульсная форсировка. Она осуществляется: – в функции времени, когда время приложения к фазе импульса повышенного напряжения не зависит от изменения параметров ШД и питающего напряжения. Оно принимается постоянным или изменяющимся по выбранному закону в функции частоты управления; – в функции тока, когда время приложения импульса является функцией тока и изменяется при изменении параметра ШД. 48 Рис. 1.46 Рис. 1.47 Рис. 1.48 49 Импульсная форсировка уменьшает время нарастания тока, по сравнению с резистивной форсировкой, в 2-3 раза, ее КПД равен 1 и не зависит от схемы инверторов. Принцип построения нереверсивных инверторов выбирается в зависимости от способа форсирования процессов отключения фазы и схемы соединения фаз. По этому признаку инверторы с импульсным форсированием делятся на схемы с одним ключом (регуляторы напряжения) и схемы с регулятором в каждой фазе. Принцип построения инверторов с одним ключом иллюстрирует схема, приведенная на рис. 1.48. Фазы ШД соединены в 4-лучевую звезду, в нейтрали которой установлен транзисторный ключ К, управляемый либо от времязадающего элемента ВЭ, запускаемого импульсом управления f (переключение в функции времени), либо элементами обратной связи по току (ОСТ) (управление в функции тока). Коммутация фаз осуществляется ключевыми элементами инвертора. При поступлении управляющего импульса ВЭ открывает ключ на время, обеспечивающее нарастание тока под воздействием u. По окончании импульса ток в фазе ШД ограничивается либо резистором R0, либо подключением фаз к Uкз через распределительный диод, исключающий короткое замыкание при включенном К. Возможен также перевод К в режим ШИМ. 3. Поддержание тока в фазах ШД, осуществляемое путем многократного подключения в течение такта коммутации фазы ШД к источнику повышенного напряжения с автоматическим контролем среднего значения тока в фазе. 50 2. ГИДРОПРИВОД И ПНЕВМОПРИВОД РОБОТОВ 2.1. Предмет гидравлики 2.1.1. Термины и определения Гидромеханика Гидравлика Канал (русло) Жидкость Текучесть Раздел механики, в котором изучают равновесие и движение жидкости, а также силовое взаимодействие между жидкостью и обтекаемыми ею телами или ограничивающими ее поверхностями Наука о законах равновесия и движения жидкости и о способах приложения этих законов к решению практических задач. (В гидравлике ПР рассматриваются течения в закрытых каналах) Поверхности (стенки), которые направляют или ограничивают поток, например, трубопроводы и насадки Все тела, для которых свойственна текучесть Способность сильно изменять форму под действием сколь угодно малых сил В понятие «жидкость» включаются как обычные (капельные) жидкости, так и газы. Основные особенности капельных жидкостей: 1. В малом количестве под действием сил поверхностного натяжения принимают сферическую форму. 2. В большом количестве образуют свободную поверхность раздела с газом. 3. Ничтожно мало изменяют свой объем при изменении давления, их обычно считают несжимаемыми. Основная особенность газов в том, что они значительно изменяются в объеме при изменении давления, т.е. обладают большой сжимаемостью. Несмотря на различие, законы движения капельных жидкостей и газов можно считать одинаковыми. Основное условие при этом: малая скорость течения газа, по сравнению со скоростью распространения в нем звука. Преобразование энергии жидкости происходит в гидравлических машинах, которые бывают двух видов. Насос – гидромашина, сообщающая протекающей по ней жидкости механическую энергию, и гидродвигатель – гидромашина, получающая от жидкости часть энергии и передающая ее рабочему органу для полезного использования. 51 Насосы и гидродвигатели применяют в гидропередачах, предназначенных для передачи механической энергии от двигателя к рабочему органу, а также для преобразования вида и скорости движения посредством жидкости. Гидропередача состоит из насоса и гидродвигателя, соединенных в одном агрегате. В современной технике применяется большое число разновидностей гидромашин. Наиболее распространены объемные и лопастные гидромашины. Объемные работают за счет изменения объема рабочих камер – ограниченных пространств внутри машины, периодически изменяющих свой объем и попеременно сообщающихся с местами входа и выхода жидкости. Лопастные – за счет динамического взаимодействия лопастей колеса с обтекающей их жидкостью. Наибольшее распространение в промышленной робототехнике получили объемные гидромашины и привод на их основе. То же самое относится и к пневмоприводу. Примером объемной гидромашины является гидроцилиндр, примером лопастной – вентилятор, а также гидротурбина. И объемные, и лопастные гидромашины обратимы, поскольку могут применяться в качестве и насосов, и гидродвигателей. 2.1.2. Плотность жидкостей Плотность – физическая величина, определяемая отношением массы жидкости m к ее объему V. При равномерном распределении массы плотность определяется как Удельный вес можно выразить через плотность: Плотность минеральных масел колеблется в пределах От плотности жидкости зависит перепад давления ΔP 830…940 кг/м. а также ударное давление при гидравлическом ударе, сопротивление трубопроводов в переходном процессе. Плотность зависит от температуры: где – плотность жидкости при начальной температуре; – (1/град.) – температурный коэффициент объема; – относительное изменение начального объема; 52 = t – t0 – изменение температуры; здесь t и t0 – начальная и конечная температуры; =V – V – изменение объема при повышении температуры с t0 до t. В соответствии с этим ( ) Для распространенного масла АМГ–10 в диапазоне давлений от 0 до 200 кг/см = 8*10–4 (1/град.), или иначе температурное расширение равно 0,08 % при нагреве на 1 °С. 2.1.3. Вязкость жидкостей Вязкость – свойство жидкости сопротивляться деформации сдвига или скольжения ее слоев. При течении жидкости вдоль твердой стенки скорость ее слоев в результате торможения потока различна, вследствие чего возникает сила трения Т. Эта сила (касательная напряжению) определяется из уравнения, выражающего закон жидкостного трения Ньютона: где – коэффициент пропорциональности (динамическая вязкость); F – площадь рассматриваемой поверхности или стенки, соприкасающейся с жидкостью; dU/ dy – градиент скорости; y – расстояние между слоями жидкости, измеренное перпендикулярно направлению движения жидкости. Динамическая вязкость численно равна силе трения, развивающейся на единичной поверхности при единичном градиенте скорости. Вязкость (за исключением аномальных жидкостей – суспензий, коллоидов и др.) появляется лишь при течении жидкости, так как в жидкости, находящейся в покое, касательные напряжения равны нулю. Единица динамической вязкости: паскаль-секунда (Па·с). Вязкость воды при 20 °С равна 1010 Па·с. В гидродинамике широко пользуются кинематической вязкостью ν, которая определяется как отношение динамической вязкости к плотности: ν = μ / ρ. Единица кинематической вязкости – м/с. Вязкость, равная 1 см/с, называется стоксом (Ст). Минеральные масла имеют вязкость порядка нескольких стоксов. 53 С повышением температуры вязкость капельных жидкостей понижается. Вязкость зависит также от давления, увеличиваясь с увеличением последнего. Например, вязкость многих масел при изменении давления от 0 до 400 кг/см увеличивается примерно в 3 раза. При практических расчетах применяется эмпирическое выражение: ( ) где и – кинематическая вязкость при давлении P и атмосферном давлении; k – коэффициент для легких масел k = 0,002, для тяжелых k = 0,003 ( >> 15 Ст). 2.1.4. Стабильность характеристик масел 1. Физическая стабильность – способность жидкости сохранять свое физическое состояние. Основная причина нарушения физической стабильности – изменение (деструкция) молекулярной структуры жидкости в результате мятия ее при длительной работе в условиях высоких давлений. Это сопровождается понижением вязкости, ухудшением смазочных свойств. В эксплуатации не допускают понижения вязкости более чем на 20 % первоначального значения. 2. Химическая стабильность – устойчивость против «старения», под которым понимают главным образом изменения, происходящие в масле в присутствии кислорода атмосферного воздуха. Химическая стабильность зависит от химического состава и строения составляющих жидкость компонентов. В результате окисления жидкости происходит выпадение из них отложений в виде смол – понижение вязкости. При повышении температуры на каждые 8-10° интенсивность окисления минерального масла практически удваивается. 2.1.5. Растворение в жидкостях газов Все жидкости обладают способностью растворять газы, которые в растворенном (дисперсном) состоянии не оказывают существенного влияния на работу гидросистемы. Если давление в какой–либо точке объема жидкости существенно уменьшается, то газы выделяются из раствора в виде пузырьков, которые ухудшают механические свойства жидкости и понижают ее химическую активность. Относительный объем газов Vг, который может растворяться в жидкости до ее насыщения, прямо пропорционален давлению на поверхности раздела: Vг = k*Vж*P2/P1, 54 где k = – коэффициент растворения газа в жидкости; Vж – объем жидкости; P1 и P2 – начальное и конечное давление газа. Коэффициент растворения воздуха при температуре 20 °С составляет: – в масле АМГ-10 – 0.1038; – в керосине – 0.1270. Выделение газа при местном понижении давления ухудшает, а иногда полностью нарушает работу гидросистемы. 2.1.6. Механическая смесь воздуха с жидкостями При размерах пузырьков воздуха 0,4-0,8 мкм скорость вытеснения их из жидкости становится столь малой, что они могут находиться в смеси с жидкостью в течение многих суток. Дисперсионную смесь, состоящую из капельной жидкости с пузырьками газа, называют газожидкостной средой. Газ в виде пузырьков всегда присутствует в рабочих жидкостях гидросистем, поэтому мы практически имеем дело не с жидкостью, а с газожидкостной средой. Обычно в масле действующей гидросистемы находится 0,5–5 % воздуха в нерастворенном состоянии. Это увеличивает вязкость жидкости, снижает объемную прочность, изменяет кавитационные свойства. 2.1.7. Сжимаемость и тепловые свойства жидкостей Капельные жидкости, при некотором допущении, подчиняются закону сжатия Гука. Сжимаемость жидкости создает во всех случаях в гидромеханизмах эффект жидкостной пружины. Жесткость можно оценить (без учета деформации конструкции) коэффициентом относительного объемного сжатия (коэффициентом сжимаемости), который характеризует относительное изменение объема жидкости, приходящееся на единицу изменения давления: или 1/ΔρV/ V0 V = βΔρV, V = (V0 – ΔV) = (1 – βΔρ), где ΔV/V0 – относительное изменение объема; Δρ = ρ2 – ρ1 – изменение давления; ρ1 и ρ2 – начальное и конечное давление; 55 V0 и V– начальный объем при атмосферном давлении и объем при изменении давления на Δρ. Величина, обратная β, называется объемным модулем упругости жидкости при всестороннем сжатии: E = VΔρ / ΔV = 1/β. С повышением температуры E уменьшается, в соответствии с чем сжимаемость жидкостей повышается. Наличие в жидкости пузырьков нерастворенного воздуха также понижает объемный модуль упругости. Среднее значение коэффициента сжимаемости масла АМГ-10 для давления 0…200 кг/см2 и температуры 20 °С: β = 7·10–5 см2 /кг. Для насыщения и эвакуации из гидросистемы теплоты, выделяющейся при работе необходимо, чтобы жидкости обладали определенными значениями удельной теплоемкости и теплопроводности. Теплопроводность характеризуется количеством теплоты, которая проходит в единицу времени через единицу площади слоя жидкости толщиной в единицу длины. Для большинства нефтепродуктов теплоемкость равна примерно 0,15–0,18 Вт/м·K. Удельная теплоемкость, под которой понимается количество теплоты, необходимой для нагревания единицы массы на 1 °С, характеризует интенсивность повышения температуры в гидросистеме. Для распространенных рабочих жидкостей в интервале температур 0–100 °С она равна в среднем 1,16 Дж/м·К. 2.1.8. Давление насыщенных паров. Кавитация Делением насыщенного пара жидкости называют установившееся в замкнутом пространстве давление насыщенного пара, находящегося при данной температуре в равновесии с жидкостью. Давление насыщенного пара однородных жидкостей имеет для каждой температуры определенное значение. Если же в жидкости растворено какоелибо вещество, то испарение растворителя затрудняется. Ввиду этого температура кипения сложных жидкостей (масел) при данном давлении, по мере выкипания легких компонентов, повышается, а давление насыщенных паров понижается. Кавитация – местное выделение из жидкости в зонах пониженного давления паров жидкостей и газов (вскипания жидкостей) с последующим возмущением паровых (конденсация) и смыканием газовых пузырьков при попадании их в зону повышенного давления. Разрушение пузырьков сопровождается местными гидравлическими микроударами. 56 До настоящего времени не существует строго обоснованного описания механизма кавитационного разрушения гидроагрегатов. Одна из гипотез предполагает, что при понижении давления в какой-либо точке потока жидкость вскипает, происходит ее разрыв, выделившиеся при этом пузырьки газа и пара увлекаются потоком и переносятся потоком в область более высокого давления, в которой паровые пузырьки конденсируются, а газовые – сжимаются. Так как процесс конденсации и сжатия происходит мгновенно, то частицы жидкости перемещаются к центрам пузырьков с большой скоростью (до сотен м/с), в результате кинетическая энергия соударяющихся частиц вызывает местные гидравлические микроудары, сопровождающиеся выбросами температуры (от 1000–1500 °С). Основным способом борьбы с кавитацией является максимальное разрежение в зоне возможной кавитации, которое частично может быть достигнуто повышением окружающего давления. 2.1.9. Режимы течения. Потери в трубопроводах Различают два режима течения: ламинарный, характерный слоистым течением без перемешивания частиц и без пульсации скорости жидкости, и турбулентный, сопровождающийся интенсивным перемешиванием частиц и пульсациями скорости. Переход от ламинарного режима к турбулентному характеризуется числом (критерием) Рейнольдса Re, представляющим собой безразмерную величину и связывающим среднюю по сечению скорость потока U, диаметр d сечения и кинематический коэффициент вязкости. Для трубопроводов круглого сечения Re имеет вид Re = U d/ υ. Справедливо общее правило: при Re < Re критич. – ламинарное течение, при Re > Re критич. – турбулентное течение. Для гладких металлических труб: Re критич. = 2200 – 2300. Потеря давления ΔP на цилиндрическом прямом отрезке трубопровода при Re < 2300 определяется формулой Пуазейля где P1 и P2 – давление в начале и конце трубопровода; и V – динамическая и кинематическая вязкость; – плотность; 57 L и D – длина и диаметр внутреннего рассматриваемого сечения трубопровода; Q и U – средние значения расхода и скорости жидкости; – гидравлическое сопротивление при ламинарном течении. Вводя коэффициент λ = 64 / Re = 64υ / Ud, вышеприведенное выражение можно преобразовать: где λ – коэффициент трения при ламинарном режиме; f – сечение трубопровода. С учетом дополнительных сопротивлений (сужение сечения, охлаждение пристеночных слоев) λ = 75 / Re. 2.2. Гидроприводы Объемные насосы. Перемещение жидкости в них осуществляется путем вытеснения ее из рабочих камер вытеснителями. Вытеснитель – рабочий орган насоса, непосредственно осуществляющий работу вытеснения. По характеру процесса вытеснения объемные насосы разделяют на поршневые и роторные. В поршневом насосе жидкость вытесняется из неподвижных камер в результате лишь возвратно-поступательного движения вытеснителей (поршней, диафрагм, плунжеров). Плунжер – поршень, длина которого значительно превосходит диаметр. В роторном насосе жидкость вытесняется из перемещаемых рабочих камер в результате вращательного или вращательно-поступательного движения вытеснителей (шестерен, винтов, пластин, поршней). По характеру движения входного звена объемные насосы разделяются на вращательные и прямодействующие. Объемные гидродвигатели. По характеру движения выходного (ведомого) звена они делятся на три класса. 1. Гидроцилиндры с возвратно-поступательным движением выходного звена. 2. Гидромоторы с непрерывным вращательным движением выходного звена. 3. Поворотные гидродвигатели с ограниченным углом поворота выходного вала (гидроповоротники, моментные гидроцилиндры). 58 Принцип действия объемных гидроприводов. Удельная энергия идеальной жидкости определяется уравнением где E – полная энергия жидкости с плотностью ρ; m – масса жидкости, текущей со скоростью U; Zg – удельная энергия положения при разности высот Z; P/ρ – удельная энергия давления P; U2/2 – удельная кинетическая энергия жидкости; U – скорость течения. Передачу энергии можно осуществить, изменяя любой из членов написанного выше уравнения. Применительно к объемным гидроприводам из указанных трех видов механической энергии основным является энергия давления. На рис. 2.1 представлена схема простейшего объемного гидропривода. Он состоит из соединенных трубопроводами насоса 1 с баком 5 и силового цилиндра 2, предохранительного клапана 4 и распределительного устройства 3, дросселя 6. Жидкость от насоса 1 поступает в левую полость цилиндра 2, перемещая его в поршень. Жидкость, вытесняемая поршнем с правой полости цилиндра, удаляется сливным трубопроводом в бак 5. При повороте распределителя на 90 °С жидкость от насоса поступает в правую полость цилиндра, осуществляется реверс. При превышении давления сверх нормы открывается предохранительный клапан 4 и жидкость будет переливаться через него в бак. Регулирование скорости в передачах мощностью более 5–10 кВт обычно осуществляется с помощью насоса 1 путем изменения его рабочего объема, а в передачах меньших мощностей – посредством дросселя 6, с помощью которого создается сопротивление на входе жидкости в гидродвигатель, в результате чего часть жидкости переливается в бак через клапан 4. Механизмы прямолинейного движения. Силовые цилиндры. Эти механизмы наиболее широко распространены в гидроприводе. На рис. 2.2 приведена схема цилиндра двухстороннего действия. Движущие усилия P на штоке и скорость V его перемещения (без учета потерь на трение, против давления и утечек) определяют по формулам: P = Pf; , где f – рабочая поверхность поршня; Q – объемный расход. ( ) – площадь поршня для левой части цилиндра, – то же для правой. Применяются цилиндры со ступенчатым поршнем, телескопические. Мембрана. В гидравлическом механизме представляет собой защемленное по периферии эластичное кольцо, с центром которого связана нагрузка. Они могут быть плоские, тарельчатые, с жестким центром. 59 Наиболее прост мембранный механизм без жесткого центра (рис. 2.3). Площадь поверхности S можно разбить на ряд элементарных равнобедренных треугольников с вершинами в центре. Равнодействующая сила давления приложена на расстоянии R/3 от основания. Опорная реакция обратно пропорциональна расстоянию от опоры до точки приложения и будет – защемленного контура в центре. составлять Усилие, передаваемое на центр: Эффективная площадь мембраны (площадь, которая, будучи умноженной на перепад давления, определяет усилие в центре): Имеются зависимости, позволяющие учитывать наличие жесткого центра, перепада давления при расчете хода и усилия на штоке. Сильфоны. Цилиндрические сильфоны (рис. 2.4), выполненные из металла, допускают перемещение на 25 % свободной длины, из которых 15 % отводится на сжатие и 10 % на растяжение. За эффективный диаметр сильфона приближенно принимают средний диаметр Рср.гофр., в соответствии с чем усилие, развиваемое сильфоном при действии внутреннего давления, может быть определено как , где Dср = (D1+D2)/2. Моментный цилиндр. Он состоит, как показано на рис. 2.5, из корпуса 1: поворотного привода, состоящего из втулки 2 лопасти 3; уплотнительных перемычки 4. При подводе жидкости в верхней клапан втулка 2 и лопасть 3 будут поворачиваться по часовой стрелке. Угол поворота обычно не превышает 270...2800. Расч тный момент равен М = p F Rn , где р – перепад давлений; ( ) – рабочая площадь; b – ширина пластины; ( ) ( ) – плечо приложения силы; D и d – диаметр цилиндра и диаметр ротора. 60 Рис. 2.1 61 Рис. 2.2 Рис. 2.3 Рис. 2.4 62 В соответствии с этим ( )( ) ( ) . Угловую скорость ω определяем из равенства расходов Q и объема описываемого пластиной в единицу времени: Q = Vок F, где Vок – окружная скорость центра давления. Подставив значения: ( ) ( ( получим отсюда ( )( ) ( ) ) ) Гидромоторы вращательного действия. Гидромоторы разделяют на шестер нчатые, винтовые, шиберные (пластинчатые) и поршневые. Поршневые моторы, в свою очередь, делятся на радиальные и аксиальные. В радиально-поршневой машине поршни, вращаясь вместе с блоком цилиндров, участвуют в возвратно-поступательном движении в радиальном направлении. Кинематическая схема для одного поршня показана на рис. 2.6. Механизм представляет собой инверсию кривошипно-шатунного механизма. Кривошип 00’ вращается вокруг 0’, скользит концом C по лучу ОС оси цилиндра, вращающегося вокруг центра 0. Такие гидромоторы развивают скорости от долей до нескольких десятков оборотов в минуту. В приводе ПР наибольшее распространение получили аксиальнопоршневые гидромоторы. По сравнению с другими гидромашинами, они отличаются наибольшей компактностью и наименьшей массой. Они разделяются на гидромашины с наклонным блоком цилиндров и наклонным диском. Кинематические схемы их приведены на рис. 2.7, 2.8. В машинах с наклонным блоком ось вращения блока цилиндров 1 наклонена к оси вала 2, в ведущий диск 3 заделаны головки 4 шатунов 5, закрепленных при помощи сферических шарниров 6 в поршнях 7. Блок 1 и вал 2 вращаются вокруг своих осей, поршни при этом совершают возвратнопоступательное движение (рис. 2.7). В гидромашинах с наклонным диском блок цилиндров 1 с поршнями 2 вращается вместе с валом 3. Поршни опираются на наклонный диск 4 и, благодаря этому, совершают возвратно-поступательное движение (рис. 2.8). 63 Рис. 2.5 Рис. 2.6 64 Рис. 2.7 Рис. 2.8 65 Устройства распределения и регулирования. Распределители разделяют на золотники, краны и клапаны. Площадь рабочего окна (проходного сечения гидроаппарата, в котором происходит изменение параметров потока) изменяется, соответственно, с помощью: а) осевого смещения распределительного элемента (золотники); б) путем поворота пробки (краны); в) путем открытия и закрытия расходных окон (клапаны). Золотниковые и крановые распределители. Такие распределители состоят из перемещающегося во втулке (гильзе) плунжера, на котором выполнены кольцевые проточки. Подвод и отвод жидкости осуществляются через окна питания. По количеству подключенных внешних линий различают источники четырехлинейные, трехлинейные и двухлинейные золотники (рис. 2.9, 2.10 и 2.11 соответственно). Если плунжер золотника не задерживается в среднем положении, то такой золотник называют 2-позиционным, если задерживается с помощью каких-либо устройств, то 3-позиционным. Различают распределители с положительным (рис. 2.12), отрицательным (рис. 2.13) и нулевым (рис. 2.14) перекрытиями. В идеальном золотнике имеет место линейная зависимость расхода Q от сигнала управления (перемещения золотника) (рис. 2.15). Гидравлическое сопротивление золотника Р зависит от конструктивных особенностей, достаточно точно выражается параболой и может быть определено (в общем случае) зависимостью ( ) где (ϭ = 3 – 5, в зависимости от числа поворотов потока). Поток жидкости в золотнике является преимущественно турбулентным. В крановых распределителях рабочий элемент (пробка) цилиндрического или кранового типа (рис. 2.16) совершает поворотные движения относительно своей оси движения. Крановые распределители применяются при давлении до 100 кг/м, поскольку при больших давлениях сила трения пробки о стенки должна достигать значительных величин. На рис. 2.17 показаны схемы включения распределителя в систему управления силовым цилиндром. Пробка имеет два перпендикулярных, но непересекающихся отверстия. Она может занимать два или более угловых положения. Клапанные распределители. Регуляторы. Эти распределители просты в изготовлении, надежны в эксплуатации, могут обеспечить высокую, практически полную, герметичность. Схема клапана показана на рис. 2.18. 66 Затворы клапанов приводятся в действие ручными, механическими и электромеханическими устройствами. Распространены клапаны с качающимся рычагом, схема которого для питания гидроцилиндров показана на рис. 2.19 (4-ходовый клапанный распределитель). При повороте рукоятки 1 перемещается пара клапанов 2 или 3, обеспечивая подвод (отвод) жидкости к соответствующей полости силового цилиндра 4. Сила, действующая на хвостовик закрытого клапана, определяется из выражения (рис. 2.20): R = P1 F1 + Pnp + Sn – P2 (F2 – f), где F1 и F2 – площади поверхностей контакта затвора F = π D2/4 с гнездом по диаметрам D1 и D2; pnp – усилие затяжки пружины; Sn – сила трения покоя; f = π d2/4 – площадь хвостовика m затвора. При условии pnp = const, P1 = const усилие R1, необходимое для перемещения затвора после того, как он оторвется от седла, составит R1 = P1 F1 + Sϭ + Pnp – P2 (F2 – F) – Pcp (F1 –F2), где Sϭ – сила трения движения; Pcp = (R1 – R2)/2 – среднее давление в щели. Следовательно, после отрыва затвора от гнезда усилие, необходимое для дальнейшего его перемещения, снизится (R > R1). Клапаны используются в основном в качестве регуляторов давления и расхода. Клапанные регуляторы давления бывают нескольких типов. 1. Предохранительные (переливные). Они ограничивают превышение давления путем периодического и однократного отвода жидкости в бак (рис. 2.21). 2. Редукционные (редукторы). Это автоматические клапаны, сопротивление которых равно разности между переменным давлением Р вх на входе и постоянным (редуцированным) давлением Ррез на выходе (рис. 2.22): Рред < Рвх . Жидкость под давлением Рвх, подводимая через канал 1 в камеру 2, пройдя дросселирующую щель, поступает в камеру 3 и канал 4 потребителя. Пружина 5 стремится открыть затвор, а силы давления на мембрану 6 Р рез и Рвх стремятся его закрыть. Для демпфирования колебаний применен дроссель 7. 67 Рис. 2.9 Рис. 2.10 Рис. 2.11 68 Рис. 2.12 Рис. 2.13 Рис. 2.14 Рис. 2.15 69 Рис. 2.16 Рис. 2.17 70 Рис. 2.18 Рис. 2.19 71 Рис. 2.20 Рис. 2.21 Рис. 2.22 72 Рис. 2.23 Рис. 2.24 Рис. 2.25 73 Клапанные регуляторы расхода подразделяют на стабилизаторы расхода, запорные (обратные) клапаны. Они выполняют в гидросистеме те же функции, что и выпрямитель в электрической цепи. Клапан подобен предохранителю, только усилие пружины у него значительно меньше. Существуют также гидравлические замки, предназначенные для автоматического закупоривания жидкости в полостях и гидродвигателя ПР, с целью фиксации (рис. 2.23). При подводе жидкости каналу 4 открывается левый клапан 1 и жидкость через канал 5 проходит в цилиндр 6. Поршень 3 смещается вправо и открывает клапан 2, обеспечивая отвод жидкости. Если циркуляция жидкости не происходит, то обратные клапаны запирают жидкость в полостях цилиндра. Дроссельные регуляторы. Дроссель – это регулирующий гидроаппарат, представляющий собой местное регулируемое или нерегулируемое сопротивление, устанавливаемое на пути течения жидкости. Различают: 1. Дроссель вязкого сопротивления, потеря давления в котором характеризуется сопротивлением потоку в канале большой длины (рис. 2.24) и обусловлена трением при ламинарном течении, т.е. потеря давления является линейной функцией скорости течения (линейные дроссели). Гидравлическая характеристика дросселя зависит от температуры. 2. Дроссель вихревого сопротивления. Потеря давления зависит здесь в основном от деформации потока и вихреобразования в канале малой длины (рис. 2.25). Изменение давления происходит практически пропорционально квадрату скорости потока (квадратичные дроссели). Характеристика такого дросселя практически не зависит от температуры. Гидравлическая схема робота «Универсал – 50М». Схема обеспечивает питание гидроусилителей, работу привода схвата, очистку и охлаждение масла, предотвращение самопроизвольного падения неуравновешенных частей манипулятора при отключении питания электросети (рис. 2.26). При подключении электродвигателя 3 масло, нагнетаемое насосами 1 и 2, через фильтр грубой очистки 4, обратный клапан 17, фильтр тонкой очистки 15 поступает к гидроусилителям крутящего момента 10, пневмогидравлическому аккумулятору 13 и панели управления гидроцилиндром 9 схвата. Избыток масла сливается через предохранительный клапан 18 и теплообменник 14 в бак. Одновременно масло от насоса 2 поступает к золотнику 19 и открывает его, так как он настроен на давление ниже, чем давление срабатывания предохранительного клапана 18. В результате масло от насоса 1 через золотник 19, теплообменник 14 сливается в бак. Кроме того, из напорной магистрали по линии 16 масло поступает в полость управления обратного клапана 11 и открывает его, подготавливая магистраль для слива масла с гидроусилителей. Для получения стабильно малых скоростей выходных валов гидроусилителей на сливе последних установлен подпорный клапан 12, настроенный на давление 3...5 кгс/см2. 74 Рис. 2.26 При одновременной работе тр х и более степеней подвижности манипулятора производительности насоса 2 не хватает для поддержания заданного давления. Вследствие падения давления в системе напорный золотник 19 закрывается и масло от насоса 1 через обратный клапан 20 поступает к гидроусилителям 10. На панели управления гидроцилиндра 9 схвата размещены редукционный клапан 7, реверсивный золотник 8, кран 5 с манометром 6 для настройки редукционного клапана 7. 75 Устанавливая необходимое давление в полости гидроцилиндра 9, можно регулировать усилие зажима губок схвата. При включении электромагнита реверсивного золотника 8 масло поступает в штоковую полость гидроцилиндра 9 и происходит разжим губок, при отключении электромагнита – зажимы губок схвата. Такая схема обеспечивает невыпадение деталей из захвата в случае обесточивания сети. Кроме того, при обесточивании сети и остановке электродвигателей насосов управляемый обратный клапан перекрывает масло из гидроусилителя 10 бак, предотвращая падение неуравновешенных звеньев манипулятора. 2.3. Пневмопривод В современных ПР наряду с гидромеханизмами применяются пневмомеханизмы (пневмоприводы), основанные на использовании в качестве рабочей среды сжатого воздуха. С помощью пневматических устройств (приводов) решаются сложные задачи по автоматизации управления ПР и технологических процессов. К основным преимуществам пневматических устройств относятся надежность и долговечность, быстрота действия (срабатывания), простота и экономичность, обусловленные одноканальным питанием исполнительных механизмов и дешевизной самой рабочей среды. Наряду с положительными качествами пневмосистемы обладают рядом недостатков, вытекающих из природы рабочей среды – воздуха. Воздух обладает высокой сжимаемостью, ввиду чего он при сжатии накапливает энергию, которая при известных условиях может превратиться в кинетическую энергию движущихся масс и вызвать ударные нагрузки. Вследствие этого пневматические системы не обеспечивают без специальных дополнительных средств необходимой плавности и точности хода. Сжимаемость воздуха в пневмосистемах исключает возможность непосредственной фиксации органов управления в заданных промежуточных положениях. В равной мере в пневмоприводе затруднительно получение при переменной нагрузке равномерной стабильной скорости. Помимо этого, пневмоприводы имеют, как правило, более низкий КПД в сравнении с гидроприводом, а также требуют применения смазочных устройств. Сжатый воздух для питания пневмосистем обычно вырабатывается компрессорами, обслуживающими пневмомашины всего предприятия, либо определенную группу. В централизованных и групповых системах питания обычно применяется давление 5-6 кг/см2, в индивидуальном питании – 50 кг/см2 и выше. 76 Процессы сжатия и расширения воздуха при течении его в каналах пневмосистемы сопровождаются изменениями параметров его состояний, основными из которых являются давление Р, температура Т и удельный объем υ. Давление входит (за исключением случаев, оговариваемых особо) во все привед нные ниже термо- и газодинамические зависимости в абсолютных единицах. Удельный объем (объем, занимаемый единицей массы газа) связан с объемом V зависимостью: где m – масса, заключенная в объеме V. Поскольку можем написать где плотность газа. Следовательно, удельный объем и плотность являются взаимно обратными величинами. Температура Кельвина T[K] как параметр состояния газа связана с температурой Цельсия t [0C] зависимостью T ≈ t +273. К нормальным условиям состояния газа относят температуру t = 0 0C или T = 273 [K], что то же самое. Кроме указанных параметров, газ характеризуется сжимаемостью, температурным коэффициентом объемного расширения, вязкостью и удельной теплоемкостью. Под удельной (объемной) теплоемкостью газа понимают отношение количества теплоты, поглощенного единицей массы (объ ма) газа, к соответствующему повышению температуры. При этом различают удельные теплоемкости при постоянном давлении Сp и постоянном объеме Сv. Соотношение между теплоемкостями при P = const и V = const положено в основы газодинамики. В частности, важным параметром является отношение этих теплоемкостей называемое показателем адиабаты в адиабатном процессе изменения состояния газа. Удельная теплоемкость реального газа зависит от температуры, в связи с чем пользуются средней для данного интервала температур удельной теплоемкостью. Вязкость газа обычно оценивается значением динамической вязкости μ. В отличие от капельных жидкостей, динамическая вязкость газа с повышением температуры увеличивается. 77 Зависимость вязкости от температуры достаточно точно характеризуется эмпирической формулой (при постоянном давлении). ) ( где μ – динамическая вязкость воздуха при данной температуре в К; μ0 – то же при температуре 0 0С или 273 К; Т – абсолютная температура в К. Тепловое расширение газа характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения υ0 0С–1, показывающим относительное изменение объема газа при изменении температуры на 1 0С. ) ( где υ – изменение объема газа в м3; Т – изменение температуры в 0С или К. Из термодинамики известно, что идеальный газ расширяется при постоянном давлении (изобарный процесс) пропорционально повышению его абсолютной температуры T (закон Гей – Люссака). Этот закон описывается уравнением ( ) где υТ и υ0 – удельный объем газа при заданной и начальной температуре; α – температурный коэффициент объемного расширения газа (практически может быть принят постоянным для всех газов); t – температура газа в 0С. Если объем идеального газа поддерживается постоянно (изохорный процесс), то давление Рт в нем возрастает пропорционально повышению его абсолютной температуры. PT = P0 (1+αt), где Р0 – начальное давление. Для температуры t = –1/α величина Рт становится равной нулю. Эта температура, равная t = –273,15 0С или Т = К, является абсолютным нулем, называется абсолютной температурой и обозначается Т. Сжимаемость характеризует изменение ΔV объема газа при изменении давления на ΔР: Зависимость удельного объема или плотности газа от температуры Т и давления Р называется уравнением состояния газа. 78 Для идеального газа (в частности, для воздуха при относительно невысоких давлениях) PV = RT. Это уравнение (получило название характеристического или уравнения состояния газа) связывает параметры Р, Т, V. Учитывая, что удельный объем уравнение состояния (характеристическое уравнение) можно представить в виде где R – удельная газовая постоянная, равная для сухого 287,1 Дж/(кг*К) – в единицах СИ и системах МКС; 29,27 кг *м/кг * 0С – в единицах двух систем МКГСС и СИ. воздуха В работе пневмоприводов возможны различные условия теплообмена между движущимися в каналах газом и окружающей средой. При малой скорости течения и хорошем теплообмене между стенками каналов (трубопроводов) и окружающей средой процессы, протекающие в пределах элементарных объемов газа, могут быть близкими к изотермным. Однако в общем случае изменение состояния газа, в зависимости от продолжительности процесса и конкретных окружающих условий, может протекать по различным законам, с произвольным изменением параметров Р, Т и V. При этом во всех случаях удовлетворяется уравнение состояния. Такими процессами являются политропные процессы, характеризуемые уравнением P1 υn1 = P2 υn2 = const, где Р1 и Р2 – начальное и конечное давление; υ1 и υ2 – начальные и конечные удельные объемы; n – показатель политропы. Показатель политропы в процессах, используемых в технике, находится обычно в ограниченных пределах. Изотермический процесс описывается равенствами T = const ; n = 1. Согласно закону Бойля – Мариотта, удельный объем газа обратно пропорционален его давлению Р: 79 где Р1 и Р2 – начальное и конечное абсолютное давление газа; υ1 и υ2 – удельный объем газа соответственно при давлениях Р1 и Р2. В описываемом процессе газ сжимается или расширяется при сохранении постоянной температуры. Очевидно, что подобный процесс может иметь место лишь при очень медленном изменении состояния (сжатия или расширения) газа. К такому случаю относится, например, процесс разрядки газогидравлического аккумулятора гидросистемы ПР при упоре в посторонний предмет. При допущении, что процесс изменения состояния газа протекает без теплообмена с окружающей средой, будем иметь P υk = const, где Р и υ – давление и плотность газа; k – показатель адиабаты; для сухого воздуха k = 1,405. Процесс, описываемый этими уравнениями, называется адиабатным. В практике процесс, близкий к адиабатному, наблюдается при истечении газа из резервуара через насадку или отверстие в тонкой стенке, когда вследствие кратковременного пребывания газа в пределах насадки можно пренебречь силами трения и теплообмена с окружающей средой (со стенками канала). При рассмотрении последнего процесса следует иметь в виду, что тепловая изоляция не является (в силу сопротивления трения течению газа, работа которого превращается в теплоту) достаточным основанием для того, чтобы показатель политропы можно было принимать равным показателю изотропы (под изотропным потоком понимают теплоизолированный поток идеального газа, в котором отсутствует сила трения). В реальных условиях при изменении состояния газа неизбежно происходит некоторый теплообмен между газом и стенками сосуда с жидкостью, представляющий собой нечто среднее из рассмотренных предельных изменений (изотермного и адиабатного процессов). Уравнение этого состояния, охватывающее все возможные в практике его изменения, имеет вид P υn = const, k > n > 1, где n – показатель политропы (при k = 1 имеем изотермный и при n = k адиабатный процессы). Соотношения параметров в политропном процессе выражаются уравнениями для адиабаты с заменой коэффициента k на коэффициент n. В теории течения газов важным параметром является скорость звука, представляющая собой скорость распространения в газе звуковой волны. Скорость течения газа, равная скорости звука, является границей, при переходе которой изменяются закономерности газового потока и расходные характеристики пневмосистем. Связь скорости звука со свойствами газов выражается известным из газодинамики уравнением. 80 При допущении, что изменения параметров потока газа, вызванные малыми возмущениями, происходят настолько быстро, что можно пренебречь теплообменом между частицами газа, а сами возмущения, создаваемые звуковой волной, настолько малы, что можно пренебречь силами трения, можем написать √ где Р – давление и υ – плотность газа. Для идеального газа эта зависимость может быть переписана в виде √ где R – удельная газовая постоянная. Инженерные расчеты течения газа в элементах пневмосистемы сводятся к расчетам, связанным с истечением газа из резервуаров (баллонов) и с заполнением их, а также с течением по трубопроводам пневмосистем и через местное сопротивление. Эти расчеты в силу сжимаемости воздуха представляют известные трудности, обусловленные тем, что течение его в трубопроводах пневмосистем и каналах их агрегатов сопровождается, как это было указано, изменением давления и удельного объема. Ввиду этого при расчетах исходят из условия, что при установившемся процессе течения массовый расход воздуха через любое поперечное сечение трубопровода остается постоянным, в соответствии с чем массовый расход определяется из уравнения сплошности (неразрывности) потока. где f – площадь сечения газового потока (трубопровода); u, p – средняя скорость и плотность воздуха в этом сечении υ – удельный объем воздуха. Поскольку объемный расход Q=uf по пути течения воздуха по трубопроводу не сохраняется, а увеличивается вследствие расширения, вызванного понижением давления при течении, средняя скорость воздуха по длине трубопровода также будет возрастать. При этом вследствие расширения воздуха происходит изменение его температуры, что и должно быть учтено при расчетах. По принципу действия и конструкции элементы пневмосистем подобны, за исключением источников питания, соответствующих элементам гидросистем, а чаще в обеих системах применяется один и тот же тип этих 81 элементов. В частности, преобразование энергии сжатого воздуха в механическую работу производится в этих системах объемными пневмодвигателями вращательного и прямолинейного (силовые пневмоцилиндры) движения. Реже применяются пневмоповоротники (моментные пневмоцилиндры). Под объемным пневмодвигателем понимается такой, в котором преобразование энергии происходит в процессе попеременного заполнения рабочей камеры рабочим газом и вытеснения его из рабочей камеры. Во многих случаях применения пневмоприводов оказывается необходимым осуществить торможение поршня пневмоцилиндра в конце его движения во избежание удара, который нежелателен или недопустим по условиям прочности механизмов или характера технологической операции. Торможение осуществляется внутренними или внешними дроссельными тормозными устройствами, устанавливаемыми на пути отвода воздуха из полости опорожнения (нерабочей полости). Эти устройства уменьшают проходное сечение выходной (отводной) магистрали в некоторой точке хода поршня пневмоцилиндра, в результате в этой полости создается тормозное противодавление, снижающее скорость движения поршня. Пневматическая схема робота МП-5 (рис. 2.27) обеспечивает подготовку и подачу сжатого воздуха к соответствующим пневмоцилиндрам по командам устройства управления. Блок подготовки воздуха состоит из вентиля 1, фильтра-влагоотделителя 2, редукционного пневмоклапана 3 с манометром 4 и маслораспылителя 5. Рабочее давление воздуха равно 4 кгс/см2. В механизме выдвижения схвата исполнительным двигателем служит пневмоцилиндр 8 двухстороннего действия с максимальным ходом поршня 600 мм. В режиме выдвижения схвата сжатый воздух через двухпозиционный пятиходовой воздухораспределитель 11 и редукционный клапан 10 поступает в поршневую часть цилиндра, а воздух, вытесняемый из штоковой полости через воздухораспределитель 11, обратный клапан 12 и распределитель 13, сбрасывается в атмосферу. Дроссели с обратными клапанами 7 и 9, установленные непосредственно на пневмоцилиндре, служат для регулирования скорости перемещения поршня. При остановке схвата в заданной точке позиционирования по сигналу конечного выключателя производится одновременное переключение воздухораспределителей 11 и 13. При этом поток сжатого воздуха направляется в ту полость пневмоцилиндра, которая для данного движения является тормозной. Например, при выдвижении схвата тормозной является штоковая полость цилиндра. Одновременно с реверсом воздушных потоков сжатый воздух подается в пневмоцилиндр 6 упора и на выходе обратного клапана 12 создается давление, равное давлению питания. Клапан 12 закрывается. В результате давление в тормозной полости пневмоцилиндра выдвижения резко возрастает и в то же время остается давление в полости движения, так как выхлоп из этой полости может происходить только через закрытый обратный клапан. 82 Рис. 2.27 Таким образом, под действием сил трения и разности давлений в поршневой и штоковой полостях происходит торможение поршня. Давление воздуха, подаваемого в поршневую полость устанавливается клапаном 10 такой величины, чтобы результирующая сил, приложенных к поршню в момент остановки, равнялась нулю. Аналогично построена схема поворота. 83 3. НЕКОТОРЫЕ РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ РОБОТОВ 3.1. Электроприводы с внешними магнитными системами Повышение технического уровня промышленных роботов (ПР) неразрывно связано с совершенствованием их приводных устройств, выполненных на основе комплексных модульных электромеханизмов. Это вызвано такими положительными качествами электропривода (ЭП), как отсутствие масла, меньший шум, отсутствие затруднений с дроблением электрической энергии, хорошим сопряжением с современными микропроцессорными системами управления. Эти достоинства повышают общий технический уровень ПР, способствуют повышению надежности. В то же время электроприводу присущ и серьезный недостаток – низкие удельные массо-габаритные показатели. Требования к массо-габаритным показателям приводов ПР существенно зависит от вида движения ПР, обслуживаемого приводом. Так, наименее жесткие требования предъявляются к приводам, установленным на глобальных (транспортных) степенях подвижности ПР. Эти требования не отличаются от аналогичных требований к приводам транспортных устройств и находятся, например для робокаров, в пределах примерно на 10-20 Н/кг – в пересч те на усилие, направленное по прямой. Региональные (переносные) степени подвижности предъявляют существенно повышенные требования к усилию на единицу массы и находятся в пределах примерно 30-70 Н/кг для степеней, непосредственно оснащенных приводами, и несколько меньше – для степеней с приводами, установленными на основании. Локальные (ориентирующие) степени подвижности требуют удельных усилий порядка 70-100 Н/кг, прич м обслуживание локальных степеней приводами, расположенными на неподвижном основании и имеющими, естественно, меньшие удельные усилия, затруднено из-за значительной длины и сложности кинематических цепей. Наивысшие требования к массо-габаритным показателям предъявляются к приводам схватов, находящимся на конце кинематической цепи манипулятора. В начальный период развития робототехники глобальные и региональные степени подвижности ПР оснащались станочными ЭП, локальные – авиационными ЭП. В настоящее время промышленность приступила к выпуску приводов, предназначенных специально для ПР. При этом привод выполняется модульного типа, содержит в сво м составе все компоненты, необходимые для успешного функционирования робота. Совершенствование электрических приводов ПР неразрывно связано с улучшением их массо-габаритных показателей. Существует несколько путей решения данной проблемы. 84 1. Применение в роботостроении качественных материалов, обеспечивающих функционирование привода при меньших массе и объеме. Однако этот путь приводит к существенному увеличению первоначальной стоимости привода. 2. Увеличение интенсивности энергетических потоков, в частности, повышение плотности тока, удельной магнитной энергии. Однозначно повышаются и тепловые нагрузки, что ведет к необходимости установки системы охлаждения, температурного контроля и регулирования. При этом увеличиваются эксплуатационные расходы, уменьшается срок службы привода. 3. Существует также третий путь улучшения массо-габаритных показателей. Он связан с тщательным весовым анализом, нахождением совершенных конструктивных решений, обеспечивающих заданные требования. Одним из способов его реализации является применение внешних, не связанных конструктивно с роботом, магнитных систем. В зазоре магнитных систем размещаются при позиционировании активные элементы привода. Таким образом, элемент с наибольшей массой – магнитная система – не входит в состав привода, а располагается отдельно. Это существенно уменьшает массу и габариты привода. При этом уменьшается стоимость за сч т того, что магнитные системы могут выполняться не из редкоземельных металлов и располагаться вне робота. Кроме того, следует рассматривать не только отдельные, пусть даже достаточно малые, элементы привода с точки зрения их массы, а необходимо проанализировать также уровни использования проводников всех энергетических потоков привода. При этом изменение массы модуля должно обусловливаться не изменением массы элементов, а главным образом перераспределением масс с подвижного основания (манипулятора) на неподвижное. Т.е. задача заключается в наиболее рациональном выборе места разрыва энергетического потока и организации беспрепятственного функционирования данной цепи с уч том соединения подвижных и неподвижных участков. Граф энергетических потоков простейшего модуля робота представим, как на рис. 3.1. Он включает в себя изображение электрической питающей сети, расположенной на звеньях манипулятора, двигателя или редуктора. Здесь ребро 1 соответствует электрической сети на манипуляторе, ребро 2 – валу двигателя, ребро 3 – магнитной цепи, ребро 4 – редуктору. Входные обозначения напряжения, тока, скорости и момента М имеют индекс 1, выходные – индекс 2. Практически в модуле имеются четыре энергетических потока с соответствующими проводниками. 1. Поток электрической энергии. Проводником является электрическая сеть (провода), проводящая энергию от источника питания к двигателю. 2. Поток магнитной энергии. Проводником является магнитопровод двигателя. 3. Поток механической энергии (высокоскоростной). Проводником данного потока является ротор двигателя. 85 4. Поток низкоскоростной механической энергии. Редуктор модуля – проводник этого потока. Отметим три основных направления уменьшения показателей. 1. Увеличение степени использования проводника потока, связанное с уменьшением массы. Обычно это связано с применением более дорогих исходных материалов и, следовательно, с увеличением стоимости модуля. 2. Увеличение КПД преобразования потока, если это не связано с увеличением массы. 3. Уменьшение длины проводника потока, в определенном случае – устранение каких-либо потоков. Рассмотрим последний случай более подробно. Поскольку полное устранение, а также существенное уменьшение длины какого-либо энергетического потока реального модуля маловероятно ввиду того, что обычно модули ПР выполняются уже с достаточным уровнем использования материалов, есть только один практически приемлемый путь реализации уменьшения длины проводников потока. Имеется в виду перераспределение (перенос) потоков, связанных с подвижным основанием (манипулятор ПР), на неподвижное, связанное, например, с полом цеха. При этом должны соблюдаться два условия: 1. Разрыв (перераспределение) какого-либо из потоков не должен отрицательно сказываться на технологическом процессе, т.е. должны иметься места позиционирования, где возможно перераспределение потоков. 2. Должно соблюдаться условие для разрыва. Обычно со всех точек зрения более предпочтителен бесконтактный разрыв потока. Это связано с тем, что при бесконтактном разрыве отсутствует износ механических узлов, отрицательно сказывающийся на надежности привода. Однако бесконтактный разрыв потока электрической энергии связан с введением дополнительных устройств типа индукционных токосъемников. Разрыв потока механической энергии связан с введением муфт. И в этом, и в другом случае введение дополнительных устройств априорно ухудшает массо-габаритные показатели. По иному обстоит дело с потоком магнитной энергии. Здесь уже присутствует элемент бесконтактного разрыва потока – воздушный зазор, т.е. уже реализована возможность бесконтактного разрыва потока. Следовательно, для улучшения массо-габаритных показателей необходим только перенос магнитной системы на неподвижное основание. Это не касается железного якоря (ротора), который конструктивно связан с ротором. Теоретически такой перенос возможен для тр х других энергетических потоков. Конечно, нужно учесть наличие неизменяемых компонентов привода. Под неизменяемыми компонентами понимаются разъемы, унифицированные механические соединения, не изменяющие массу при выносе потоков. Применение метода внешних потоков, основанного на выносе энергетических потоков, а точнее – на перераспределении потоков с подвижного на неподвижное основание позволяет без каких-либо существенных изменений в составе модуля уменьшить его массу. 86 Оценим это уменьшение. Ясно, что оно будет существенно зависеть от типа применяемого двигателя, а точнее от соотношения масс ротора (якоря), оставленного в модуле робота, и статора (индуктора), вынесенного на основание. Если предположить, что массы единицы длины ротора и статора одинаковы, то разница в массах будет определяться только диаметрами ротора и статора. Для двигателя классического типа соотношение между этими диаметрами находится примерно в пределах 2–2.5. Поскольку масса пропорциональна квадрату диаметра, то реальное уменьшение массы составит 4-6 раз. В случае безжелезного якоря это уменьшение еще больше. 3.2. Приводы схватов Частями общей задачи повышения технического уровня электромеханических модулей (ЭМ) ПР являются разработка и исследование ЭМ захватных устройств ПР, в частности, схватов. К ЭМ привода схвата предъявляются следующие технические требования. 1. Высокие массо-габаритные показатели, сравнимые с соответствующими показателями пневмо- и гидропривода. 2. Обеспечение максимального быстродействия при срабатывании. 3. Обеспечение надежного фиксирования губок. 4. Совместимость с системой управления ПР. 5. Минимальные первоначальная стоимость и эксплуатационные затраты. В настоящее время для подавляющего большинства приводов схватов, удовлетворяющих данным требованиям, используют энергию гидро- и пневмосреды. Основной причиной этого являются высокие массо-габаритные показатели гидро- и пневмоприводов. Однако гидро- и пневомоприводу свойственны такие недостатки, как: – низкий КПД системы; – необходимость использования гидростанции (гидропривод) и пневмосети (пневмопривод); – возможность утечек масла, загрязнения аппаратуры, как следствие – низкая надежность; – высокий уровень шума; – высокие эксплуатационные расходы. Кардинальным образом данные недостатки преодолеваются путем замены гидро- и пневмопривода электроприводом. Однако в настоящее время удельные массо-габаритные показатели электроприводов схватов на порядок меньше, чем у пневмо- и гидроприводов. Эта ситуация сохраняется довольно продолжительное время, несмотря на большой объ м научно-исследова87 тельских работ, проводимых в данном направлении. Из-за этого многие чисто электрические роботы, например, Универсал – 5, НЦТМ – 01, М10П, М20П, ТУР – 10 оснащены схватом с пневмоприводом. В приводе схвата можно выделить три компонента: механическая часть (губки, основание и т.д.), собственно привод и силовые магистрали. Механическая часть мало зависит от типа привода, е массо-габаритные показатели являются практически постоянными величинами. Показатель усилия на единицу массы пневмопривода находится в пределах 50–80 Н/кг. Величина этого показателя у электропривода, построенного на базе обычных машин постоянного тока, значительно меньше. Путь увеличения усилия электропривода схвата на единицу массы только один – вынос магнитной системы на неподвижное основание, т.е. применение внешних магнитных систем. Рассмотрим привод схвата с катушками обычного типа. Сущность конструкции иллюстрируют рис. 3.2 (изображен вид сверху роботизированного участка, оснащенного схватом манипулятора с внешними магнитными системами) и рис. 3.3 (вид спереди, сечение по магнитным системам). Схват работает с магнитными системами, расположенными, например, по прямой линии. Также может быть использована и кривая. Схват имеет систему 1 с односторонними магнитными наконечниками 2. Вблизи нее установлена первая рабочая позиция 3, например, стеллаж с заготовками. Схват манипулирует деталью 4. По другую сторону схвата установлены наконечники 5 второй магнитной системы 6. Эти наконечники выполнены двусторонними, т.е. они продлены на противоположную сторону ко второй рабочей позиции 7, например, технологической машине. Рядом с ней установлены магнитные наконечники 8 третьей магнитной системы 9, также двухсторонние. Заканчивает линейку третья рабочая позиция 10, например, автоматический стеллаж для готовых изделий. Рядом с ней установлены наконечники 11 четвертой магнитной системы 12. Магнитные системы 1, 6, 9 и 12 расположены по линии А-А. Их сечение дано на рис. 3.3. Обозначения систем 1, 6, 9 и 12 совпадают с источниками магнитного поля этих систем. При необходимости все системы устанавливаются на основаниях. Далее, в состав участка входит рельсовый путь 13, по которому перемещается манипулятор робота. В его состав, собственно, входит схват 14 с губками, приводимыми в действие активными элементами 15, выполненными, например, в виде жестких бескаркасных катушек, которые входят во время позиционирования в зазоры магнитных систем. Схват с элементами установлен на руке 16 манипулятора 17. Рука имеет возможность передвигаться, а манипулятор 17 – перемещаться по рельсам 13. Манипулятор показан с рукой в среднем положении у первой позиции 3 со сплошными линиями, а с вытянутой рукой – у второй позиции 7 пунктирными линиями (рис. 3.2). 88 Более подробно кинематика схвата представлена на рис. 3.4. В воздушном зазоре магнитной системы располагаются активные токопроводящие подвижные элементы 15 привода (катушки). На руке 16 ПР закреплено основание 17 с шарнирами 18, в которых вращаются рычаги 19 с губками 20. С элементами контактируют тяги 21, соединенные с пружиной 22. В разжатом состоянии положение всех кинематических звеньев показано на рис. 3.4 пунктиром. Фиксация губок в нерабочем, сжатом, состоянии осуществляется пружиной 22. Работа привода. В состоянии перед включением активные элементы 15 находятся в воздушном зазоре магнитных систем. При подаче тока в активные элементы 15 происходит следующее. Внешние участки катушек 15 втягиваются в зазор магнитных систем, увлекая за собой рычаги 19, тяги 21, и растягивают пружину 22. Происходит раскрытие схвата. Это состояние сохраняется до тех пор, пока ид т ток по элементам 15 и они находятся в зазоре магнитной системы. Для закрытия схвата достаточно выключить ток. Под действием пружины 22 губки 20 замыкаются, зажимая деталь 4. В данном состоянии рука движется, происходит подъ м-поворот ПР, деталь 4 переносится на новое место позиционирования, например, 3,7 или 10. Далее происходит выдвижение руки, элементы 15 снова в зазоре магнитных систем. Схват оказывается подготовленным для выполнения цикла. Конкретная кинематика может иметь конструктивные отличия при другой форме транспортируемой детали или катушек активного элемента. Особенностью этого привода является то, что таким приводом может оснащаться только ПР с цикловой системой управления, с небольшим числом рабочих позиций. Если число рабочих позиций велико (ПР с позиционной системой), то количество магнитных систем увеличивается, что повышает стоимость робототехнического комплекса. Выход из данного положения можно найти, применив привод с пружинным аккумулятором (ПА). В этом случае теоретически достаточно лишь одной магнитной системы. 89 Рис. 3.1 Рис. 3.2 Рис. 3.3 90 Рис. 3.4 91 3.3. Ориентирующие локальные приводы Важное применение привода с внешними магнитными системами – это локальные (ориентирующие) степени подвижности. Они характеризуются тем, что движение захваченной детали осуществляется приблизительно вокруг центра тяжести, т.е. так же, как и в захватных устройствах, имеющих некоторую точку в пространстве, и где может быть размещен активный токопроводящий элемент во внешнем магнитном поле. Рассмотрим такой привод более подробно. На рис. 3.5 изображен робот – вид сверху, на рис. 3.6 – вид спереди с одной из магнитных систем, на рис. 3.7 – вид сбоку при отведенной руке с кистью. Робот включает в себя схват 1, ориентирующую головку 2 с приводом поворота, включающим в себя двигатель с ротором 3, закрытым защитным немагнитным колпаком. Двигатель не имеет магнитной системы, соединенной с его корпусом. Магнитные системы установлены вне привода робота и состоят из магнитопроводов 5, источника магнитного поля 6, например постоянного магнита, стойки 7, привода подъема, состоящего из поступательной пары 8 со штоком 9 и двигателя 10, укрепленного на основании 11. На рис. 3.5 пунктиром показано выдвинутое положение руки. На рис. 3.6 пунктиром показана магнитная система в опущенном положении. Робот снабжен платформой 12, на которой установлены звено 13, приводы: перемещения звена 14, руки 15, а также руки 16. Магнитные системы могут иметь и другие приводы, обеспечивающие их перемещение по другим координатам. В составе модуля привода, кроме двигателя и редуктора, обязательно присутствуют фиксирующие устройства (тормоз). Робот может иметь несколько магнитных систем, по числу точек позиционирования. Функционирование переносных степеней подвижности робота приводов 15, 14, поворота платформы 12 отличается от функционирования обычных проводов роботов. Это касается и схвата 1. Он выполнен обычного типа, т.е. с «несомой» магнитной системой. Работа же приводов ориентирующих степеней, например привода 2, ротации схвата 1, имеет существенные особенности. В частности, работа двигателя (ротора 3) возможна лишь в случае, когда ротор охвачен магнитной системой – магнитопроводами 5. Соответствующее позиционирование обеспечивается переносными степенями подвижности. Если ротор 3 расположен в зазоре магнитной системы, то двигатель, вращаясь, обеспечивает при подаче на ротор тока вращение головки со схватом. Во всех других состояниях вне магнитной системы привод заторможен. Для увеличения рабочего пространства магнитные системы снабжены приводами перемещения, которые могут иметь или обеспечивать иные точки позиционирования или убирать магнитные системы с траектории перемещения руки. 92 Рис. 3.5 Рис. 3.6 Рис. 3.7 93 Приводы выполняются позиционными, управляемыми от общего центра управления роботом. Уменьшение постоянной времени привода, вызванное уменьшением массы двигателя, приводит к увеличению ускорения, а следовательно, и приемистости по скорости – основной характеристики привода. Это является следствием уменьшения движущихся масс, и, следовательно, механической инерционности системы «двигатель – объект управления». При этом также увеличивается производительность робототехнических комплексов. Иногда рассматривают удельные показатели, например, усилие на единицу массы, мощность на единицу массы и т.д. При этом такие показатели определяются отдельно для редуктора и для двигателя. Масса модуля несколько уменьшается при применении высокоскоростных двигателей, но при этом увеличивается передаточное отношение, уменьшаются ресурсы двигателей. Обычно считается, что теоретически пределом уровня использования массы модуля является уровень использования массы редуктора. В нашем случае это положение нуждается в изменении. Двигатель имеет такой же, если не больше, уровень использования массы, что и редуктор. Применение метода внешних потоков позволяет уменьшить массу двигателей модулей ПР в 4-5 раз для классического использования и в 10-12 раз для двигателей с печатным дисковым якорем. При этом необходимо учитывать ограничения на координаты, заключающиеся в том, что работа модулей возможна лишь в случае нахождения в воздушном зазоре магнитной системы. В этой связи целесообразна разработка и выпуск специальных модификаций двигателей с консольным исполнением вала и немагнитным защитным колпаком, предназначенных для работы в составе модулей с внешними магнитными системами. Это упростит конструкцию двигателя, поскольку в этом случае у двигателя отсутствует магнитная система. Для подтверждения возможностей значительного уменьшения массогабаритных показателей модуля ПР реализован макет привода с внешним потоком. Привод включает в себя двигатель (якорь) типа ДПМ-30 и редуктор, приводящий в движение схват манипулятора грузоподъемностью 200 г. По сравнению с двигателем ДПМ-30 обычного исполнения (с корпусом), масса двигателя снизилась с 220 до 65 г. Общая масса модуля снизилась до 158 г, первоначальное значение массы – 330 г. Таким образом, уровень использования массы двигателя по моменту практически приблизился к соответствующему показателю редуктора. Основными особенностями процессов, проходящих в двигателе при этом, являются следующие: 1. Увеличенный воздушный зазор. Его увеличение диктует неизбежные погрешности позиционирования, а также наличие немагнитного защитного экрана. 2. Измененная конфигурация магнитного поля. Здесь необходимо учитывать наличие двух вариантов магнитных систем: в первом случае – внешняя 94 магнитная система с полукруглыми полюсами цилиндрического типа. Изменения конфигурации поля обусловлены лишь эксцентриситетом и толщиной немагнитного экрана. Во втором случае магнитная система имеет плоские полюса, поле магнитной системой – плоскопараллельное, если не учитывать краевые эффекты. При вводе цилиндрического якоря будет наблюдаться концентрация поля у боковых краев. 3.4. Приводы переносных (региональных) степеней подвижности Концепция внешних магнитных систем может быть перенесена и на приводы основных – переносных – степеней подвижности роботов. При этом манипулятор выполняется преимущественно в сферической системе координат, так как необходимо обеспечить установку максимума магнитных систем на неподвижном основании. На рис. 3.8 изображен схематично манипулятор, вид сбоку в разрезе, на рис. 3.9 – вид сзади, на рис. 3.10 и 3.11 показан один из активных элементов с магнитной системой, вид сбоку и сверху соответственно. На рис. 3.12 показана работа элемента при параллельном соединении катушек, что обеспечивает поворотные и азимутальное перемещения, на рис. 3.13 показана работа элемента при последовательном соединении катушек, что обеспечивает выдвижение руки манипулятора. На рис. 3.14 показана схема силового блока (одной ячейки), на рис. 3.15 – схема ячейки коммутирующего блока, на рис. 3.17 – пространственная схема одной группы элементов. Манипулятор состоит из руки 1 со схватом 2, двух групп 3 и 4 активных элементов, расположенных вдоль руки. Каждая из групп состоит из 2 пар элементов, например, 5 и 6 в горизонтальной плоскости, 7 и 8 в вертикальной плоскости. Каждый из восьми элементов (рис. 3.10 и 3.11) включает в себя: собственно токопроводящий виток 9, планку 10, с помощью которой виток крепится к шарниру руки 1. Магнитная система, в поле которой помещен виток 9, состоит из двух катушек 11 и 12, укрепленных на перекладинах 13 параллельно руке 1. Аналогичная пара катушек перекладины 14 расположена с другой стороны витка. Магнитные системы крепятся на основании 15. На основании закреплены и боковые магнитопроводы 16. Выводы токопроводящего витка подключены к клеммам 17 и далее к силовому блоку. Силовой блок (рис. 3.14) состоит из восьми сильноточных ячеек, коммутирующий блок состоит из восьми слаботочных ячеек. Сильноточная ячейка включает в себя источник 18 постоянного тока, реверсивный ключ 19, управляемый от командного триггера 20, виток 9 с клеммами 17. Слаботочная ячейка (рис. 3.15) включает в себя источник 21, ключ 22, осуществляющий реверсирование тока в одной из катушек, например 12, командный триггер 23. Основания 17 95 и планки 10 закреплены в шарнирах 24, ось которых параллельно руке 1, шарниры прикреплены к руке 1 (со стороны планки 10) и к каркасу 25 (со стороны оснований 15). Магнитопроводы 13 и 14 имеют немагнитные вставки 26. Торцы катушек снабжены антифрикционными накладками 27. Работа манипулятора. Каждая из групп активных элементов может работать в двух режимах: угловом и линейном. Прием в угловом режиме обеспечивается управлением рукой по двум углам: в горизонтальной плоскости и в вертикальной. Соответственно каждый из элементов может работать в двух режимах. Рассмотрим режим углового перемещения. В этом случае катушки 11 и 12 соединяются так, что их поля направлены согласно, виток 9 (рис. 3.10) оказывается размещенным в поле, силовые линии которого равномерно пронизывают виток в одном направлении (сплошные линии на рис. 3.11). В этой ситуации на виток, при прохождении по нему тока, действуют силы, стремящиеся увеличить площадь витка равномерно по всем направлениям. Так как концы витка закреплены, а исходное положение витка – сжатое (рис. 3.12), то электромеханические усилия стремятся придать витку форму окружности, т.е. распрямить первоначальный овал. В итоге подвижный элемент получает перемещение вверх. Перемещение будет при перемене полярности тока в витке. Для уменьшения магнитного сопротивления элемента имеются дополнительные боковые магнитопроводы 16. Рассмотрим теперь режим линейного перемещения. В этом случае обмотки катушек 11 и 12 включаются встречно. Плоскость витка пронизывает поле, которое с каждой из боковых сторон витка имеет разное направление и замыкается по противоположному магнитопроводу с катушками (рис. 3.11). В итоге боковые стороны витка стремятся переместиться вправо или влево (рис. 3.13). Направление перемещения определяется направлением тока в витке. Направление линий поля показано для этого случая на рис. 3.11 пунктиром. Обслуживание рабочей зоны в сферической системе координат обеспечивается за счет работы одной из групп элементов (например 3) в угловом режиме, а другой группы (например 4) – в линейном режиме. Т.е. элементы 5 и 6 разворачивают схват в горизонтальной плоскости, элементы 7 и 8 – в вертикальной, а элементы группы 4 осуществляют выдвижение или вдвижение руки 1. Различная комбинация этих движений обусловливает обслуживание рабочей зоны. Питание элементов осуществляется от сильноточного 18 и слаботочного 21 источников. Команда на реверсирование сильноточного источника, а также на реверсирование одной из катушек и переключение катушек с последовательного на параллельное соединение поступает от системы управления на вход триггеров 20 и 23 и далее – на коммутирующие переключатели 19 и 22. Оси всех шарниров 24, расположенных вокруг руки 1, параллельны руке. 96 Рис. 3.8 Рис. 3.9 Рис. 3.10 Рис. 3.11 97 Рис. 3.12 Рис. 3.13 Рис. 3.14 Рис. 3.15 Рис. 3.16 Рис. 3.17 98 Ключи 19 и 22 представляют собой обычные реверсоры, принципиальная схема их силовой части приведена на рис. 3.16. Магнитные системы элементов выполнены на основе использования катушек и магнитопроводов серийных реле. Витки элементов выполнены из медной фольги. Позиционирование манипулятора осуществляется от упора до упора, т.е. по цикловому принципу. При установке в активных элементах датчиков положения возможна работа и в режиме управления от позиционной или контурной схем. Имеется несколько вариантов управления манипулятором. 1. Противофазное управление. Элементы первой и второй групп подключаются так, что одновременно включенные элементы располагаются по разные стороны руки (т.е. в противофазе). В этом случае имеем сферическую систему координат, причем в двух вариантах: с вращением относительно центра первой группы и относительно второй. 2. Синфазное управление. Одновременно включатся элементы, расположенные по одну сторону руки. Манипулятор работает в прямоугольной системе координат. 3. Комбинированное управление. Возможна комбинация противофазного управления как во времени, так и по различным группам силовых элементов (степеням подвижности). По сравнению с другими манипуляторами подобного класса, у описываемого манипулятора повышается такой показатель, как усилие на единицу движущей массы, что увеличивает быстродействие манипулятора. Это увеличение происходит за счет того, что магнитные системы элементов (их наиболее массивная часть) прикреплены к основанию шарнирами, имеющими лишь одну степень свободы, к тому же ограниченную габаритами элементов. Подвижная часть у руки манипулятора с прикрепленными к ней ветками имеет значительно меньшую массу. В итоге можно достигнуть высокого уровня использования привода по усилию. Применение указанных движущих элементов позволяет развивать скорости до 5 м/с, что выше скоростей существующих приводов роботов. C учетом вышеизложенного, улучшение показателя усилия на единицу массы и увеличение скорости перемещения позволяет повысить производительность робота, в состав которого входит манипулятор. Интересно отметить, что если между планкой, скрепленной с рукой, и основанием в каждом подвижном элементе поместить пружину или выполнить сам виток (витки) из пружинного материала, то получим резонансного робота. При этом возможна, при надлежащем устройстве системы управления приводом, поочередная работа активных элементов: то в двигательном, то в генераторном режимах. Это позволяет регулировать энергию, уменьшить потребляемую мощность, что вообще характерно для резонансных роботов. 99 3.5. Роботы с рекуперацией энергии и динамической развязкой движений Ужесточение требований к массо-габаритным показателям привода роботов стимулирует новые технические разработки, направленные на уменьшение энергопотребления и динамических нагрузок на конструкцию. В этой связи можно выделить два направления работ: рекуперация энергии торможения и развязка движений манипулятора робота. Развязка движений предполагает создание таких условий, когда движение одних звеньев манипулятора не влияет на движение других. Например, поворот локтя манипулятора вертикально-мануальной схемы не должен сказываться на изменении момента в плечевом шарнире. Решение такой задачи распадается на статическую балансировку, обычно выполняемую с помощью пружинных и пневматических систем уравновешивания, и динамическую развязку. Большую работу в данном направлении проводит Институт машиностроения им. A. A. Благонравова, в частности, коллектив под руководством д-ра техн. наук, профессора А. И. Корендясева. Ниже приводится краткое изложение результатов работ этого коллектива. Приводы с рекуперацией рассмотрим на примере робота с цикловым управлением. Для простоты выделим лишь одну степень подвижности (рис. 3.18). Робот имеет двигатель 1, подвижные массы 2, регулируемые упоры 3 с демпфирующими устройствами 4. Доля движений с постоянной скоростью такого устройства мала. Преобладающими являются режимы разгона и торможения, при этом вся энергия, получаемая системой от двигателя, рассеивается демпферами. Циклограмма работы системы и ориентировочный график изменения момента двигателя МДВ, момента демпфера МДЕМ и момента трения в передачах и опорах МТР в координатах «момент – угол поворота» показаны на рис. 3.19. На полном цикле движения работа источника (двигателя) должна быть равна работе, поглощенной приемником, – работе моментов трения и демпфера. Следовательно, площадь 1 должна быть равна сумме площадей 2 и 3. Если для увеличения быстродействия увеличивают момент двигателя, то момент демпфера увеличивается гораздо быстрее, так как он действует на меньшем участке перемещения. Это повышает динамические нагрузки, что в сочетании с повышенными массо-габаритными показателями двигателя с увеличенным моментом делает такой путь развития привода практически тупиковым. Робот с рекуперацией энергии, схема которого приведена на рис. 3.20, включает аккумулятор потенциальной энергии в виде упругого элемента – пружины 5, а вместо демпферов-упоров установлены управляемые упорыфиксаторы 6. При среднем положении массы 2 между упорами 6 пружина 5 находится в свободном состоянии и ее усилие равно нулю. В начальном положении пружина взведена и поджимается к упору. При начале работы магнит фиксатора убирает упор, и масса 2 под действием пружины начинает разгоняться. 100 Рис. 3.18 Рис. 3.19 Рис. 3.20 Рис. 3.21 Рис. 3.22 101 После прохождения среднего положения масса начинает тормозиться за счет перехода кинетической энергии массы обратно в потенциальную энергию пружины. Если бы в системе отсутствовало трение, то масса 2 обязательно пришла бы к симметрично установленному второму фиксатору. Наличие трения обусловливает необходимость наличия привода 1, который восполняет потери энергии на трение. При такой организации автоматически обеспечиваются такие характеристики, как плавность разгона и торможения, симметрия. Это уменьшает нагрузки в системе, обеспечивает выход на упоры практически с нулевой скоростью, что устраняет необходимость в демпферах. Данные характеристики иллюстрирует закон изменения координат центра массы, показанный на рис. 3.21. На рис. 3.22 представлен график изменения моментов двигателя и скорости звена: за счет организации автоколебательного режима работа двигатели всегда будет равна работе сил трения. Быстродействие системы определяется собственными динамическими свойствами механического колебательного контура и теоретически при известной инерционности можно подобрать жесткость пружины так, чтобы обеспечить требуемое быстродействие. Основные трудности практической реализации подобных систем заключаются в согласовании характеристик механической системы и характеристик привода. Например, при изменении перемещения, в системе целесообразно иметь регулировку, позволяющую изменять пусковой момент в функции перемещения. В качестве регулируемого параметра можно использовать напряжение якоря. При использовании цикловых роботов требуется большое число точек обслуживания, а не две, как в выше рассмотренном примере. Многопозиционность может быть обеспечена двумя путями. Первый – это увеличение числа степеней подвижности, каждая из которых оснащена описанным аккумулятором. Второй путь связан со специальным исполнением механизма аккумулятора или с использованием дифференциального привода. В первом случае дополнительно решается и задача динамической развязки. Если рассматривать простейший двухзвенный вертикально-ангулярный манипулятор, то первая подзадача решается статическим уравновешиванием второго звена относительно оси вращательной пары. Схема такого механизма показана на рис. 3.23. Захват может занимать четыре положения на плоскости, причем обеспечивается однотактный переход из одной позиции в другую. Дальнейшее совершенствование подобных систем заключается в их адаптивной настройке, т.е. обеспечении инвариантности к действующим возмущениям, например, регулированием подкачки непосредственно в цикле движения, что позволяет поддерживать дозировку в заданных пределах. 102 Рис. 3.23 Рис. 3.24 103 Простейшая динамическая модель одной степени подвижности робота, построенная на основе маятника, качающегося в горизонтальной плоскости, показана на рис. 3.24: 1 – звено с приведенным моментом инерции; 2, 7 – датчики крайних положений; 3, 6 – фиксаторы; 4, 5 – датчики фиксированных положений; 8 – датчик углового положения; 9 – накопитель энергии; 10 – редуктор; 11 – двигатель; 12 – усилитель; 13 – управляющий микропроцессор. Вообще же задача динамической развязки многомерной динамической системы, описываемой системой нелинейных дифференциальных уравнений, разделяется на две подзадачи: 1) обеспечение независимости инерционных коэффициентов от конфигурации манипулятора; 2) поиск системы обобщенных координат, обеспечивающих разделение системы на несколько независимых подсистем. Компенсация потерь энергии, основанная на применении обратной связи, может быть осуществлена двумя методами: непрерывной коррекцией напряжения на двигателе и дискретной регулировкой на ограниченном интервале. Идея компенсации непрерывного типа на основе слежения за эталонным законом заключается в непрерывном регулировании подкачки энергии на всем отрезке пути звена 1 между фиксаторами 3 и 6. В режиме обучения запоминаются позиции фиксаторов, регулируются пружины рекуператора, получается и запоминается приемлемое движение в качестве эталонного. В автоматическом режиме осуществляется периодическое воспроизведение роботом эталонного движения. Такой метод требует применения высокоточного и помехозащищенного датчика угла, имеющего большую стоимость. Это является серьезным препятствием на пути его реализации. Рассмотрим метод компенсации импульсного типа. Он основан на оценке кинетической энергии и предполагает подачу компенсирующего воздействия на двигатель только на заключительной отрезке движения звена между фиксаторами. Компенсирующее воздействие определяется переменной составляющей подводимой энергии. Постоянная составляющая, как и в предыдущем случае, сообщается звену за счет эталонного сигнала, запомненного микропроцессором в режиме обучения. Применение метода импульсной компенсации целесообразно тогда, когда момент трения является основным фактором, дестабилизирующим движение робота. 3.6. Орбитальный электропривод Что требуется от привода робота? Конечно, быстродействие, способность разгона и торможения по возможности без колебаний, высокая точность позиционирования. Однако какой ценой все это делается? Массивный двигатель, тяжелый редуктор, далеко не малогабаритный датчик положения – вот необходимые элементы модуля, которые обеспечат его надежную работу. Везде масса, габариты необходимые, конечно, но одновременно, не лишние ли? 104 Следуя традициям алгоритмов решения изобретательских задач, представим себе идеальную исполнительную систему, т.е. с минимальной массой. Короче говоря, что-то невесомое и невидимое совершает точные и ловкие движения, тормозит и удерживает звенья робота. Хорошо ли это? Конечно. Облегчение привода позволяет решить одну из двух задач (или обе одновременно, но частично): повысить грузоподъемность или увеличить быстродействие при сохранении потребляемой мощности на прежнем уровне. Ясно, что и в этом, и в других случаях производительность робота увеличивается. Сурова критика директора межотраслевого научно-технического комплекса «Ротор», академика Л. Н. Кошкина, высказанная им по телевидению и в печати в адрес промышленных роботов. По его мнению, эти средства гибкой автоматизации – специфический продукт западной буржуазной технологии. Роботы в условиях социализма, уверен он, заведомо невыгодны. По расчетам академика, робот в наших условиях себя не окупает и не является эквивалентной заменой рабочему, обслуживающему станок. Иное дело, считает Л. Н. Кошкин, роторные автоматические линии. Производительность – как у пулемета, ненадежной электроники практически нет, механические цепи коротки и просты. Решается, в принципе, и проблема мобильной переналадки роторов на другое изделие. Во всяком случае, над этим интенсивно работают. Основной же смысл аргументов в защиту роботов и робототехнических комплексов определяется формулой «каждому – свое». Роторным линиям – массовое производство сравнительно простых изделий. Роботам и на их основе гибким автоматизированным производствам (ГАП) – мелкосерийное и, в принципе, единичное производство изделий высокого уровня сложности. Как говорил академик Д. Е. Охоцимский на IV Всесоюзном совещании по робототехническим системам и ГАП (г. Киев, октябрь 1987 г.): «Роторная линия не сможет сделать автомобиль». Правда, на сегодня и робототехнические линии тоже не могут полностью сделать автомобиль – от сварки листа проката до испытательного стенда. Пока что роботы сваривают кузова, красят их, осуществляют ряд сборок. Но, в принципе, робототехнология вплотную подойдет к решению данной проблемы в ближайшее время. Роторной же линии это не по зубам. Собрать аэрозольный клапан, цепь, подшипник, аналогичные несложные узлы – пожалуйста! Автомобиль? Не сможет, видимо, и в перспективе – слишком жесткая у него программа. Факт этот не радует. Роторная или иная высокопроизводительная линия, штампующая, к примеру, автомобили десятками в минуту, была бы картиной впечатляющей и эффективной. Одна такая гипотетическая линия способна, в принципе, заменить несколько автозаводов. На каких же принципах ее организовать? Для ответа на вопрос рассмотрим характерные черты роторной линии и робототехнологического комплекса, а затем попытаемся синтезировать в одном агрегате производительность роторной линии и гибкость промышленного робота. 105 Есть комплексы и с линейной компоновкой, но мы выбрали для анализа комплексы с роботами, действующими в цилиндрической системе координат. Потому что в аналогичной системе фактически трудится и роторная линия. Сравнивая рис. 3.25 с рис. 3.26, видим, что у обоих классов автоматических устройств конфигурация потока деталей фактически одинакова. Робот Р (рис. 3.26), роботы Р1 и Р2 (рис. 3.27), робот Р с распределителем Рс (рис. 3.28) – это аналоги транспортного ротора (рис. 3.25). Разница лишь в том, что на рис. 3.25 рабочие инструменты вращаются, а на рис. 3.26 технологические позиции (станки С1, С2, С3, С4) неподвижны. Более глубокая аналогия возникает, если сравнивать конструкцию роботов и транспортных роторов, оснащенных электроприводом с внешними магнитными системами. Новые разработки в этой области существенно расширили функциональные возможности и роботов, и транспортных роторов. Примеры – на рис. 3.29 и 3.30. Каков вывод из анализа рассмотренных конструкций? Можно создать новое средство автоматизации на основе синтеза роторной линии и робототехнического комплекса, широко используя устройства так называемой сервисной энергетической среды, например, внешние магнитные системы, а также устройства сервисной информационной среды – разного рода контролирующие позиции с датчиками. Назовем этот гибрид робот-роторной линией с сервисной энергетической средой. Что она будет собой примерно представлять, показано на рис. 3.31. Рис. 3.25 Рис. 3.26 1. Роторная линия. Рабочие инструменты (например, матрица и пуансоны) закреплены на вращающихся рабочих роторах 1 и 3, изделие 4 с ротора 1 на ротор 3 передает транспортный ротор 2 захватами 5. Технологический процесс на роторах 1 и 3 идет одновременно с транспортировкой изделий по орбитальным траекториям (П – позиция подачи, В – позиция выдачи). 106 2. Роботизированная станочная система с четырехруким манипулятором. Ротор Р с манипулятором обходит станки С1 и С2. Есть также приемная позиция П и выходная позиция В. Поток деталей движется в направлении, показанном стрелками. Рис. 3.27 Рис. 3.28 3. Автоматическая линия (ЭНИКМАШ, г. Воронеж) на основе типового роботизированного технологического комплекса РТК-3 с трехрукими промышленными роботами. Шаговый транспортер Ш связывает робототехнические комплексы (РТК), входящие в состав линии. C1, С2 и т.д. – станки, входящие в РТК. 4. Робототехнический комплекс с вращающимся распределителем Рс, выполненный в виде крестовины с приводом поворота. Робот Р (однорукий) загружает заготовки в захват распределителя. Затем распределитель поворачивается нужным плечом к соответствующему станку, каждый из которых оснащен механической рукой. После обработки готовую деталь в обратной последовательности передает робот на выходную позицию. Рис. 3.29 Рис. 3.30 107 5. Робот с внешней магнитной системой. На основании 1 укреплена концентрическая магнитная система 2 с катушками 3. Якори 5 двигателей закреплены консольно на подвижном поворотном основании 4. Располагаются якори против полюсов. Сверху якорей есть щеточно-коллекторные узлы. На основании 4 смонтированы редукторы 6 приводов выдвижения руки, схвата, ориентации схвата. Магнитная система в нижней части робота показана в разрезе. Робот может иметь несколько якорей и соответствующих приводов. На конце руки 7 установлен схват 8. Есть также 9 – привод поворота, 10 – привод подъема руки. 6. Транспортный ротор роторной линии с внешними магнитными системами (вид сбоку). На основании 1 в подшипниках установлен вал, вращаемый приводом через шестерню 2. На валу закреплен барабан 3 с механизмами выдвижения и ориентации рук 4 со схватами 5. Привод схватов – каркасная обмотка 6, находящаяся в поле внешних магнитных систем 7. Коммутатор 8 управляет величиной тока в обмотках 6. Аналогично можно выполнить не только механизмы схватов, но и приводы выдвижения и другие. При этом громоздкую механику с ее трущимися поверхностями заменяют бесконтактные электромеханические устройства повышенного быстродействия. Одновременно уменьшается и масса подвижной части ротора, что также увеличивает быстродействие. Обмотки возбуждения внешних магнитных систем можно заменить постоянными магнитами. Ротор будет с несколькими такими внешними магнитными системами, например, в зоне загрузки и в зоне разгрузки. Вторая внешняя магнитная система показана пунктиром. Рис. 3.31 108 7. Робот-роторная линия по сварке кузовов автомобилей. Исходная заготовка (днище) поступает на позицию 1 с помощью робота-загрузчика 2. Затем она перемещается по сварочным постам 3 транспортным ротор-роботом 4. Он имеет восемь рук 5 с приводами выдвижения, захвата и подъема 6, захватами 7 и внешними магнитными системами 8, установленными радиально. Во вспомогательных зонах 9 можно разместить оборудование, например дополнительные роботы, подающие детали к кузову и перегрузчику 10. Перегрузчик передает изделия на следующий ротор-робот 11, например, окрасочный или сборочный. Каждый сварочный пост оснащен обычными сварочными роботами или упрощенными цикловыми модулями со сварочным оборудованием. Таким образом, относительно тяжелое оборудование не вращается, не перемещается вместе с изделием, а заготовка-кузов переставляется роторроботом 4 по позициям. Сервисная энергетическая среда образована внешними магнитными системами 8, в поле которых расположены активные элементы приводов 6, перемещающие схват. Таким образом, ротор-робот 4 представляет собой увеличенный транспортный ротор, показанный на рис. 3.31, но непосредственно переносящий изделия по позициям 3. Естественно, для перемещения таких крупных изделий, как автомобильный кузов, важно облегчить подвижные части ротор-робота 4. В частности, привода руки и захвата. Эту задачу и решает сервисная энергетическая среда – внешние магнитные системы. 3.7. Модульные приводы с внешними магнитными системами Данная система приводов промышленных роботов (ПР) является подсистемой агрегатно-модульной структуры ПР различных компоновочных схем, управляемых системами автоматического управления (САУ) циклового, позиционного и контурного типов. В данном изложении механические конструкции звеньев ПР и CAУ специально не рассматриваются и приводятся лишь в качестве примеров применения приводов с внешними магнитными системами (BMС). Модули с ВМС представляют собой фактически червячные редукторы (или их комбинации, например, с цилиндрической передачей), на входном валу которых консольно закреплен якорь двигателя постоянного тока (ДПТ) типа ДПР-72. Якорь ДПТ входит в зазор ВМС при позиционировании. Червячные редукторы выбраны из условия обеспечения самоторможения привода. Схема различных модулей приведена на рисунках. 109 Модуль привода схвата. Его схема приведена на рис. 3.32. Якорь 1 с коллектором 2 закреплен на валу 3 с червяком 4. С ним входит в зацепление червячное колесо 5, на валу 6 которого закреплен кулачок 7, контактирующий с толкателями 8, укрепленными на рычагах 9. Рычаги установлены в подшипнике 10, подпружинены распорной пружиной 11 и снабжены губками 12. Привод установлен в корпусе 13 звена робота. Губки 12 зажимают деталь 14. Токоподвод осуществляется с помощью щеток 15. Во время работы привода якорь 1 находится в зоне ВМС, имеющей (рис. 3.33) наконечники 16, ярмо магнитопровода 17, катушку 18 с сердечником 19. Якорь при позиционировании располагается в воздушном зазоре 20. Данная ВМС может применяться и с другими типами модулей. Модуль поворота. Данный модуль реализован также на червячном редукторе и якоре типа ДПР, установленных на звене 13 (рис. 3.34). Вал приводит в движение выходное звено 21. Модуль ротации. Отличается от модуля поворота только тем, что редуктор развернут на 90° в плоскости чертежа (рис. 3.35). Выходное звено 22 совершает неограниченное вращательное движение. Данный модуль может быть применен в исполнительных органах ПР типа гайковертов. Поступательный модуль с червячной и винтовой передачами. Предназначен для реализации поступательного перемещения (рис. 3.36). Звено 23 имеет планку 24, к которой прикреплен ходовой винт 25 и круглая направляющая 26, установленная в поступательном подшипнике 27. С винтом 25 контактирует гайка 28, установленная в червячном колесе 2. Поступательный модуль с реечной передачей. Данный модуль, показанный на рис. 3.38, имеет соединенную с выходным звеном 32 зубчатую рейку 32, входящую в зацепление с шестерней 33. Может присутствовать и промежуточный цилиндрический редуктор 34. Рейка установлена в поступательных подшипниках 35. Все модули, за исключением последнего, снабжены одноступенчатыми червячными редукторами. Для лучшего использования двигателя и согласования с нагрузкой могут быть использованы модули двухступечатными редукторами. Модуль редуктора с дополнительной цилиндрической передачей 30 показан на рис. 3.37. Модуль редуктора с двумя червячными передачами входной 36 и выходной 37 – показан на рис. 3.37. На рис. 3.40–3.43 приведены примеры реализации различных ПР на основе использования вышеупомянутых модулей. 110 Рис. 3.32 Рис. 3.33 Рис. 3.34 Рис. 3.35 111 Рис. 3.36 Рис. 3.37 Рис. 3.38 Рис. 3.39 112 Рис. 3.40 Рис. 3.41 Рис. 3.42 Рис. 3.43 113 1. ПР с цилиндрической системой координат, оснащенный схватом с BMC (рис. 3.40). BMC цилиндрического типа имеет катушки 38, сердечники 39, магнитопроводы 40 и наконечники 41. Данный ПР имеет следующие модули: поворота 42, подъема 43, выдвижения руки 45 и схвата 46. Модули поворота и подъема выполнены обычного типа, т.е. без ВМС. Модуль 45 – это модуль, показанный на рис. 3.36, а модуль 46 показан на рис. 3.32. Модули 45 и 46 размещены на вращающемся основании 44, которое укреплено на вращающемся валу модуля 43. Схват при работе входит в зазор ВМС 47, выполненной на базе индукторов. Вид сверху ПР без ВМС 47 показан на рис. 3.41. 2. ПР с цилиндрической системой координат и с автономным схватом (рис. 3.42–3.43). Данный ПР отличается от первого тем, что в зазоре цилиндрической ВМС установлены якоря двух поступательных модулей 48 и 49. Каждый из них имеет штоки 50 и 51 соответственно. К штоку 50 прикреплена планка 52 с кулачками 53, взаимодействующими с рычагами 54 схвата, стянутыми пружиной 55. Рычаги укреплены в подшипнике 56, установленном на планке 57 штока 51. При синхронной работе модулей осуществляется выдвижение или вдвижение схвата. При кратковременной работе лишь одного из модулей кулачки 53, толкая рычаги 54, разводят или сводят губки схвата. Силовое замыкание осуществляется пружиной. 3. ПР с ангулярной системой координат с ориентирующей головкой (рис. 3.44). Робот имеет шарнирную руку, состоящую из звеньев 58 и 59, приводящихся в движение модулями с цилиндрической BMC 60. Имеется модуль поворота 61 (без ВМС). Привод звена 59 осуществляется с помощью тяги 62, соединенной с рукоятью 63, которая установлена на валу одного из модулей. На валу второго модуля установлено непосредственно звено 58. Модуль 61 соединен валом 64 с вращающимся основанием 65. Ориентирующая головка содержит модуль поворота 66, модуль ротации 67 и модуль схвата 68, соединенные последовательно. Для их функционирования предусмотрены ВМС с горизонтальным зазором 69 и с вертикальными зазорами 70 и 71. Эти ВМС установлены в рабочей зоне, в их зазоры помещаются якоря тех или иных якорей модулей при позиционировании. 4. ПР с ангулярной системой координат с приводом схвата с BMC (рис. 3.45). Данный ПР отличается от вышеописанного тем, что добавлены еще два модуля, осуществляющие ротацию и поворот кисти с помощью цепных передач. По данной схеме выполнен ПР ТУР 10. В отличие от него поворотная часть существенно облегчена за счет введения цилиндрической ВМС, а привод 114 схвата осуществляется модулем с ВМС. В круговом зазоре цилиндрической ВМС расположены четыре якоря модулей (рис. 3.46). Данные четыре конструктивные схемы, конечно, не исчерпывают многообразия конструкций ПР, которые можно получить, соединяя различным образом как модули с ВМС, так и приводы обычного типа. В частности, ориентирующая головка ПР, показанного на рис. 3.44, может быть применена практически с любым ПР. То же можно сказать и о модуле захвата. Масса полого якоря типа ДПР с деталями крепления относительно невелика, и, в основном, масса модуля определяется массой редукторов, массогабаритные показатели которых, как известно, на порядок лучше, чем у электродвигателей. Конструкция ВМС. Наиболее просто прямоугольным воздушным зазором реализуются на базе индукторов. Данные индукторы (рис. 3.47) имеют следующие номинальные параметры. Напряжение – 220 В; ток – 1,3 А; мощность – 500 Вт; ПВ – 100 класс изоляции – Н. Габариты: 218×131×71 мм. Имеются четыре крепежных отверстия по углам квадрата 132×105 мм. Обмотка – трехфазная, двухслойная, уложенная в шесть пазов. Испытательное напряжение – 2500 В, 50 Гц между фазами и на корпус в течение 1 мин. Полюсное деление – 14 мм, размеры полюсной зоны – 84 100 мм; масса – 4,5 кг. Индукторы, в отличие от штатного применения, запитываются постоянным током. В принципе, возможно и использование индукторов с переменным током. Однако в этом случае якорь (ротор) должен иметь короткозамкнутые участки, например беличью клетку, т.е. должен использоваться ротор от асинхронного двигателя. Естественно, в этом случае осложняются вопросы регулирования скорости вращения модуля. Цилиндрическая ВМС может быть скомпонована из индукторов с добавлением сегментных вставок или должна быть спроектирована специально. Конструкция узла якоря. Крепление якоря иллюстрируется рис. 3.49. Якорь типа ДПР-72 имеет два подшипниковых щита – 72 и 73, один из которых, 72, крепится к палке 73 стойки 74. В подшипниковом щите 72 закреплен подшипник 75, в котором вращается вал 76. На валу закреплен стакан 77 якоря, отформованный из эпоксидного компаунда, в его тело заформована обмотка. Концы секций обмотки подсоединены к пластинам 78 коллектора. С коллектором контактируют цветки 79, установленные на суппорте 80. Суппорт закреплен на щите 73. Щит 73 и стойка 74 закреплены на звене 13 робота. К концу 81 вала 76 крепится муфта входного вала редуктора. Стойка 74 выполняется из немагнитного материала. 115 Рис. 3.44 Рис. 3.45 Рис. 3.46 116 Рис. 3.47 Рис. 3.48 117 Рис. 3.49 Рис. 3.50 118 Кроме такой конструкции, может быть реализовано и консольное крепление, без подшипника 75. В щите 73 в этом случае закрепляются два подшипника, а стойка 74 не нужна. На участке 81 вала имеются упорная втулка, сегментная шпонка и резьба. Длина вала 76 – 84 мм; вылет конца 81 – 14,5 мм; диаметр конца 81 – 4×1; резьба – M4 × 0,5 кл 2, диаметр стакана – 30; масса вала со стаканом и коллектором – 55 г; ориентировочная масса якоря с креплением – 100 г. Конструктивные параметры вращательных модулей. Параметры конструктивных схем, приведенных на рис. 3.34–3.39, рассчитаны по трем вариантам компоновки редуктора: 1 – рис. 3.34; 2 – рис. 3.37; 3 – рис. 3.39. С ними компонуются различные типы якорей ДПР, данные по которым приведены в табл. 3. Таблица 3 Номинальные данные Тип якоря Х. ход Пусковой режим Ин Мн Пн Iн Io Мп Iп В Гсм р/с А А Гсм А ДПР–72–02 27 400 600 1,35 0,17 3500 ДПР–72–03 27 400 250 0,6 0,09 1900 Срок Сопрослужбы тивление ч Ом 16,5 500 1,75 4,7 2000 2,9 Имеются еще типоразмеры на 12 В и также со скоростью 450 р/с. Данные по сроку службы при ПВ = 100 % . В настоящее время срок службы якорей повышен за счет технологических мероприятий почти на порядок. Все параметры указаны для нормальных климатических условий (табл. 4). Таблица 4 Тип редуктора Червячный одноступенчатый Двухступенчатый цилиндр. Тип якоря ДПР72Н202 ДПР72Н203 ПередаСкорость Межосевое НоминальПусковой точное выходного расстоян., ный момент отношение вала мм момент 80 3,1 р/с 40 3,2 Нм 16 Нм общее – 200 3 р/с 50 8 Нм 70 Нм 119 Окончание табл. 4 Тип редуктора Тип якоря Двухступенчатый червяч. тот же ПередаСкорость Межосевое НоминальПусковой точное выходного расстоян., ный момент отношение вала мм момент 630 = = 20×31,5 0,95 р/с 40 63 25,2 Нм 220,5 Нм Управляемые преобразователи, сенсорика и система управления данными модулями могут быть использованы Электроника НЦ-01, где применены также двигатели серии ДПР. При расчете межцентрового расстояния принят ресурс 20000 ч, материал червячной пары – оловянно-никелевая и железистые бронзы с остальными закаленными червяками. Перспективно использование пластмассовых колес (капрон, капролон В, полиамидная смола П-68). Конструктивные параметры поступательных модулей. 1. Модуль c червячным редуктором и винтовой передачей (см. рис. 3.36). Тип якоря – ДПР-72-Н2-03; передаточное число червячного редуктора – 8: ход винта – 13 мм/р: скорость выдвижения штока – 1 м/с; межосевое расстояние – 63; номинальное усилие – 20 H; усилие при пуске – 300 Н. 2. Модуль с реечной передачей (рис. 3.38). Тип якоря – ДПР-72-112-01; ход реечной передачи – 4 мм/р; скорость выдвижения – 1 м/с. При применении промежуточного цилиндрического редуктора с передаточным числом 5, ход передачи – 20 мм/р. Номинальное усиление – 9 Н; усилие при пуске – 70 Н. Конструктивное развитие модулей. По схеме данных модулей могут быть построены более мощные устройства с применением якорей и роторов электродвигателей как постоянного, так и переменного тока. Если необходимо отсутствие люфта при технических требованиях, то возможно применение червячно-цилиндрического редуктора с двойной червячной передачей и подпружиненным в осевом направлении одним из червяков. С целью увеличения жесткости при позиционировании могут быть введены дополнительные опоры на ВМС у мест позиционирования. 120 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Назовите основные свойства электродвигателей постоянного и переменного тока. 2. Как осуществляется выбор электродвигателя? 3. Каким образом выбирается передаточное число редуктора? 4. Охарактеризуйте основные разновидности линейного электропривода. 5. Изложите основные особенности управления шаговыми двигателями. 6. Перечислите основные законы гидравлики. 7. Приведите примеры основных типов гидроаппаратов. 8. В чем заключается особенность применения пневмоприводов? 9. В чем заключается преимущество электроприводов с внешними магнитными системами, по сравнению с обычными электроприводами? 10. Изложите основные особенности орбитального электропривода. 11. Охарактеризуйте роботы с рекуперацией энергии и динамической развязкой движений. 12. Изложите основные пути совершенствования модульных электроприводов роботов с внешними магнитными системами. 13. В чем совпадают и в чем различаются электроприводы схватов, ориентирующих степеней подвижности и переносных степеней подвижности промышленных роботов? ЗАКЛЮЧЕНИЕ В настоящее время наибольшее распространение получает электропривод роботов различных типов, в том числе бесконтактных, например асинхронных, индукторных, вентильно-индукторных. Такие двигатели существуют, кроме вращательного, как в линейном, так и в шаговом вариантах. Специфические задачи выполняет гидропривод, обладающий высокими удельными показателями (исключая привод насоса), а также пневмопривод, рекордный по простоте реализации. Новые разработки в области электроприводов, например внедрение внешних магнитных систем, позволяют приблизить электропривод по своим удельным показателям к гидро- и пневмоприводу. 121 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Бальбух В. В. Динамические свойства релейных и импульсных следящих электроприводов / В. В. Бальбух, Л. Д. Панкратьев, В. А. Полковников. – Москва: Энергия, 1972. – 232 с. 2. Башта Т. М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика / Т. М. Башта. – Москва: Машинастроение, 1972. – 320 с. 3. Герман-Галкин С. Г. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями / С. Г. Герман-Галкин, В. Д. Лебедев, Б. А. Марков и др. – Ленинград: Энергоатомиздат: Ленингр. отд-ние, 1986. – 248 с. 4. Исполнительные системы роботов. Исполнительный привод: учеб. пособие /А. М. Литвиненко. – Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 1996. – 136 с. 5. Кенио Т. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами: Т. Кенио, С. Нагамори; пер. с англ. – Москва: Энергоатомиздат, 1989. – 184 с. 6. Коловский М. З. Динамика машин: учеб. пособие / М. З. Коловский. – Ленинград: Машиностроение: Ленингр. отд-ние, 1989. – 80 с. 7. Коловский М. З. Элементы теории приводов и манипуляторов: учеб. пособие / М. З. Коловский, В. И. Маслов. – Ленинград: Изд-во Ленинградского политех-нического института им. М. И. Калинина, 1981. 8. Кочергин В. В. Следящие системы с двигателем постоянного тока / В. В. Кочергин. – Ленинград: Энергоатомиздат: Ленингр. отд-ние, 1988. – 165 с. 9. Крымов Б. Г Исполнительные устройства систем управления летательными аппаратами: учеб. пособие для втузов / Б. Г. Крымов, Л. В. Рабинович, В. Г. Стеблецов. – Москва: Машиностроение, 1987. – 261 с. 10. Литвиненко A. М. Орбитально-планетарный электропривод с внешними магнитными системами // Электричество. – 1994. – № 3. – С. 41–61. 12. Литвиненко А. М. Электроприводы промышленных роботов с внешними магнитными системами / А. М. Литвиненко. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 1989. – 157 с. 13. Манипуляционные системы роботов / А. И. Корендясев, Б. Л. Саламандра, Л. И. Тывес и др.; под общ. ред. А. И. Корендясева. – Москва: Maшиностроение, 1989. – 470 с. 14. Михайлов О. П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов: учебник для машиностроит. спец. вузов / О. П. Михайлов. – Москва: Машиностроение, 1990. – 302 с. 12. Основы динамики промышленных роботов / М. З. Коловский, A. В. Слоущ // Научные основы робототехники. – № 15. – Москва: Наука, 1988. – С. 238–240. 15. Робототехника и гибкие автоматизированные производства. 9 кн. Кн. 2. Приводы робототехнических систем: учеб. пособие для втузов / Ж. П. Ахромеев и др.; под. ред. И. М. Макарова. – Москва: Высш. шк., 1986. – 175 с. 122 16. Сабинин Ю. А. Электромашинные устройства автоматики: учебник для вузов по спец. «Автоматика и управление в техн. системах» / Ю. А. Сабинин. – Ленинград: Энергоатомиздат: Ленингр. отд-ние, 1988. – 407 с. 17. Смирнова В. И. Проектирование и расчет автоматизированных приводов: учебник для сред. спец. учеб. заведений / В. И. Смирнова, В. И. Разинцев. – Москва: Машиностроение, 1990. – 364 с. 18. Теория автоматизированного электропривода: учеб. пособие для вузов / М. Г. Чиликин, В. И. Ключев, А. С. Сандлер. – Москва: Энергия, 1979. – 615 с. 19. Управление исполнительными элементами следящих электроприводов летательных аппаратов / Б. И. Петров, B. Бальбух, Н. П. Паппе и др.; под ред. Б. И. Петрова. – Москва: Машиностроение, 1981. – 222 с. 20. Устройство промышленных роботов / Е. И. Юревич, Б. Г. Аветиков, О. Б. Корытко и др. – Ленинград: Машиностроение: Ленингр. отд-ние, 1980. – 333 с. 21. Челпанов И. Б. Схваты промышленных роботов / И. Б. Челпанов, С. Н. Колпашников. – Ленинград: Машиностроение: Ленингр. отд-ние, 1989. – 286 с. 22. Электрические машины и трансформатор. Т 1. Линейные электродвигатели / Б. М. Айзенштейн; Гос. ком. Совета Министров СССР по науке и технике. – Москва: ВИНИТИ, 1975. – 111 с. – (Итоги науки и техники). 23. Электропривод и автоматизация промышленных установок. Т. 6. Электропривод с шаговыми двигателями / Науч. ред., проф. Б. А. Ивоботенко; Гос. ком. Совета Министров СССР по науке и технике. – Москва: ВИНИТИ, 1978. – 124 с. – (Итоги науки и техники). 24. Элементы систем автоматического управления: методические указания / сост. A. М. Литвиненко. – Воронеж: ВПИ, 1990. – 28 с. 123 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 3 Общие требования к двигателям промышленных роботов .................................... 4 1. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ РОБОТОВ ..................................................................... 7 1.1. Электромеханические свойства электрических двигателей ......................... 7 1.2. Выбор электродвигателя ................................................................................ 13 1.3. Выбор передаточного числа редуктора ........................................................ 22 1.4. Электропривод постоянного тока ................................................................. 25 1.5. Электропривод переменного тока ................................................................. 26 1.6. Линейный электропривод .............................................................................. 30 1.7. Шаговый электропривод ................................................................................ 39 2. ГИДРОПРИВОД И ПНЕВМОПРИВОД РОБОТОВ .................................... 51 2.1. Предмет гидравлики ....................................................................................... 51 2.1.1. Термины и определения ......................................................................... 51 2.1.2. Плотность жидкостей ............................................................................. 52 2.1.3. Вязкость жидкостей ................................................................................ 53 2.1.4. Стабильность характеристик масел ...................................................... 54 2.1.5. Растворение в жидкостях газов ............................................................. 54 2.1.6. Механическая смесь воздуха с жидкостями ........................................ 55 2.1.7. Сжимаемость и тепловые свойства жидкостей .................................... 55 2.1.8. Давление насыщенных паров. Кавитация ............................................ 56 2.1.9. Режимы течения. Потери в трубопроводах .......................................... 57 2.2. Гидроприводы ................................................................................................. 58 2.3. Пневмопривод ................................................................................................. 76 3. НЕКОТОРЫЕ РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ РОБОТОВ ................................................................................................................. 84 3.1. Электроприводы с внешними магнитными системами .............................. 84 3.2. Приводы схватов ............................................................................................. 87 3.3. Ориентирующие локальные приводы ........................................................... 92 3.4. Приводы переносных (региональных) степеней подвижности.................. 95 3.5. Роботы с рекуперацией энергии и динамической развязкой движений . 100 3.6. Орбитальный электропривод ....................................................................... 104 3.7. Модульные приводы с внешними магнитными системами ..................... 109 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ................................................................................ 121 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 121 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................................................... 122 124 Учебное издание Литвиненко Александр Михайлович ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ПРИВОД Учебное пособие Издание второе, переработанное и дополненное Редактор Сахарова Д. О. Подписано в печать 17.02.2020. Формат 60×84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 7,3. Тираж 350 экз. Заказ № 10. ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский проспект, 14 Участок оперативной полиграфии издательства ВГТУ 394026 Воронеж, Московский проспект, 14
