![]() |
9.4. Исполнительные механизмы1) Общий обзор. Под исполнительными механизмами здесь понимаются узлы, соответствующие мускулам, приводящим в движение руки и ноги человека, управляемые при помощи выходных сигналов от управляющих устройств и выполняющие рабочие движения. Авторы касаются только тех исполнительных механизмов, необходимых в промышленных роботах, которые в настоящее время можно приобрести и использовать. По источникам энергии исполнительные механизмы можно подразделить на следующие три типа: гидравлические, в которых применяется жидкость, например вода; пневматические с применением газа, например, воздуха; электрические, преобразующие электрическую энергию в механическую. Косвенным образом основным источником питания механизмов как гидравлического, так и пневматического типа также является электричество, но они классифицируются здесь по видам непосредственно используемой энергии. Кроме того, имеются приводные устройства электромагнитного типа, в которых электрическая энергия преобразуется в энергию прямолинейного движения исполнительного звена. Однако подобные механизмы здесь не рассматриваются, поскольку они встречаются крайне редко. В некоторых случаях применяют один из трех названных выше типов механизмов, иногда же их комбинируют. Выбор такой комбинации определяется функциями робота и позволяет более эффективно использовать его характеристики. Здесь подобные гибридные системы не рассматриваются. Часто бывает, что вид энергии, используемой в управляющем устройстве, отличается от вида энергии, используемой в исполнительном механизме. Поэтому требуется преобразователь, превращающий выходные сигналы управляющего устройства в желаемую форму входных сигналов исполнительного механизма. Такие преобразователи явились объектом исследования и рассматриваются в данном разделе ка] приборы, необходимые для. исполнительных механизмов робота. При написании данного раздела авторы ставили себе целью изложить сведения, которые можно непосредственно использовать при конструировании и изготовлении роботов. Эти сведения были отобраны из каталогов и различного рода публикаций. Но, поскольку каждая фирма по-разному сообщает о технических данных, моделях и типах своих изделий, отбирались только Основные данные. Кроме того, при составлении таблиц главное внимание обращалось на обобщение данных, касающихся устройств с большим отношением входной и выходной мощности, с большой выходной мощностью, высокой точностью и разрешающей способностью, с большим .количеством движений, совершаемых одновременно, малогабаритных устройств и т. д. Часто изготовители не сообщают точных сведений о надежности приборов и механизмов, которые считаются наиболее важными для промышленных роботов. Поэтому не было возможности привести эти данные в таблицах. От изготовителей аппаратуры требуется, чтобы они сообщили дополнительно сведения о надежности изделий. Не было также сведений о стоимости изделий при поставке. По этому поводу желательны непосредственные запросы. 2) Преобразователи сигнала. Преобразователь сигнала - это устройство, в котором выходной сигнал управляющего устройства преобразуется в такую форму входного сигнала, которая требуется в соответствии с типом, моделью, мощностью и другими параметрами исполнительного механизма. По функциям их можно классифицировать различным образом.
В каждом преобразователе отдельно может меняться тип используемой энергии, среда, форма, объем, поэтому их комбинации очень разнообразны. В данной работе в качестве объектов обследования решено было выбрать три вида преобразователей: электромагнитные клапаны, клапанные усилители и сервоклапаны. а) Электромагнитный клапан. Электромагнитные клапаны делятся на пневматические и гидравлические. Обычно при использовании клапанов, предназначенных для воздуха, требуется осторожность, так как они часто портятся из-за попадания в них содержащейся в воздухе пыли. Поскольку имеется очень много видов электромагнитных клапанов, выпускаемых различными изготовителями, решено было ограничиться классификацией их по функциям соответственно табл. 9.7. ![]() Таблица 9.7. Классификация электромагнитных клапанов по их назначению При выборе электромагнитных клапанов (необходимо определить следующие моменты:
Электромагнитные клапаны, выпускаемые в последнее время, стали вполне надежными и им можно доверять, если предотвратить снижение надежности из-за пыли. Электромагнитные клапаны делятся на управляющие соленоиды и исполнительные клапаны. Соленоид редко становится причиной отказа. Основными причинами поломки бывает коррозия и разрушение клапана. Их можно предупредить путем использования чистого воздуха (без пыли) и применением соответствующих методов смазки. Наблюдается также течь в клапане из-за усталости внутренних пружин и износа резиновых уплотнений, но при регулярном осмотре это можно предупредить. б) Струйно-мембранные усилители. В электромагнитных клапанах осуществляется управление направлением потока сжатого воздуха с помощью электричества, а струйно-мембранные усилители являются устройствами, в которых сигналы крайне низкого давления сжатого воздуха преобразуются в сигналы высокого давления. Известны случаи использования их в комбинации со струйными элементами, однако обычно давление в цепи Управления не превышает 0,1 кг/см2. С момента начала применения такого рода усилителей прошло еще мало времени, данных об их долговечности и условиях эксплуатащии имеется (немного и условия их выбора также еще не вполне ясны. На фиг. 9.27 показан пример типичной конструкции усилителя. В табл. 9.8 приведены характеристики усилителей с давлением в цепи управления не более 100 мм Н20 (0,01 кг/см2). ![]() Фиг. 9.27. Клапанные усилители ![]() Таблица 9.8. Струйно-мембранные усилители в) Электрогидравлические преобразователи (сервоклапаны). Электромагнитные клапаны управляют (например, при помощи соленоидов) движением золотника и подают жидкость или газ под высоким давлением в исполнительный механизм. Кроме того, при перемещении золотника могут выполняться только переключения направления подачи рабочего тела по принципу "включено-выключено". В отличие от электромагнитных в элбктрогидравлических преобразователях посредством электромагнита осуществляется перемещение золотника таким образом, что это перемещение оказывается пропорциональным величине входного электрического сигнала. Помимо преобразователей золотникового типа, встречаются конструкции поворотного типа, выполненные в виде кранов, но они довольно редки. Применяются однокаскадные усилители, в которых электромагнит воздействует непосредственно на золотник, и двухкаскадные, где в первом "каскаде усиления обычно используется устройство типа "сопло-заслонка". Электромагнитные клапаны применяются для циклового управления с движением от упора до упора, а преобразователи - для высокоточного позиционирования в заданной точке при движении по сложной траектории. Сервоклапаны являются элементами пропорционального управления, поэтому в конструкции клапаиа имеется основной контур управления золотником для обеспечения устойчивости золотника преобразователя. При этом по способу обратной связи сервоклапаны можно подразделить на следующие три вида:
Клапаны управления расходом обычно применяются при позиционном управлении, как в случае промышленных роботов. При выборе сервоклапанов необходимо уточнить следующие моменты:
Подробные сведения по отдельным вопросам можно почерпнуть, например, из журнала "Сэймицу Кикай", т. 30, № 4(1964), где опубликован "Отчет Специального комитета по гидравлической аппаратуре для управления, касающийся сервоклапанов". При выборе сервоклапанов следует обратить особое внимание на условия нагрузки, так как в промышленных роботах требуемый диапазон регулирования расхода при приложении нагрузки велик по сравнению с аналогичным диапазоном в станках и других машинах. Образец одной из японских конструкций сервокла-лана для управления расходом показан на фиг. 9.28, а характеристики сервоклапанов даны в табл. 9.9-9.12. Кроме того, в табл. 9.13 приведены данные о типичных сервоклапанах. ![]() Фиг. 9.28. Сервоклапан регулирования расхода ![]() Таблица 9.9. Характеристики сервоклапанов ![]() Таблица 9.10 ![]() Таблица 9.10. Зависимость между падением давления в клапане и расходом на выходе сервоклапана ![]() Таблица 9.11. Характеристики расхода без нагрузки ![]() Таблица 9.11. Характеристики коэффициента усили давления ![]() Таблица 9.11. Пример характеристики внутренних перетечес ![]() Таблица 9.12. Частотные характеристики ![]() Таблица 9.12. Характеристики 'давление при нагрузке - расход' ![]() Таблица 9.13. Технические характеристики типовых исполнительных устройств 3) Электрические исполнительные механизмы. Можно указать на следующие преимущества электрических исполнительных механизмов: более высокие возможности передачи сигналов, быстродействие управляющих цементов, возможность питания легкодоступной элекроэнергией; отсутствие проблемы загрязнения, характерной для гидравлических устройств; сравнительно простое обслуживание и т. д. Однако в устройствах с большой приводной мощностью быстродействие меньше, чем у гидравлических механизмов, а сами исполнительные механизмы крупногабаритны и имеют ряд других недостатков. Поэтому обычно используют гибридные системы. Электрические сервомеханизмы чаще применяют в устройствах сравнительно небольших размеров. Поэтому мы сосредоточиваем внимание на устройствах с приводной мощностью не более 1 кВт. Существуют устройства самых различных видов, которые можно использовать в приводах в качестве электрических исполнительных механизмов. Разнообразие их настолько велико, что всегда есть возможность выбрать модели в соответствии с методами управления. В данной работе нет возможности описать все виды oмеханизмов, поэтому решено было ограничиться лишь следующими четырьмя видами:
а) Серводвигатели переменного тока. Серводвигатели переменного тока широко применяются в промышленных роботах в качестве исполнительных двигателей. Они обладают следующими преимуществами: механической прочностью, простотой обслуживания благодаря отсутствию трущихся деталей (за исключением подшипников), несложным управлением, простотой изоляции цепей, отсутствием дрейфа, наличием моделей на 50(60) и 400 Гц, что позволяет использовать их в различных устройствах, и рядом других преимуществ. Однако к. п. д. у них хуже, чем у серводвигателей постоянного тока. Недостатком их также является расход электроэнергии в обмотке возбуждения при неработающей машине. Эти двигатели тяжелее по весу, чем другие двигатели с такой же выходной мощностью. В тех случаях, oкогда требуются малогабаритные и легкие по весу двигатели, следует по возможности выбирать двигатели с небольшим количеством полюсов. В этом смысле предпочтительнее двигатели с более высокой частотой, т. е. двигатели на 400 Гц, а не на 50(60) Гц. Конструкция усилителей привода должна исключить выпадание фазы, обеспечить эффективное охлаждение усилителей, она не должна служить источником вибраций привода и т. д. При пользовании каталогом двигателей надо обращать особое внимание на номинальные значения синусоидального напряжения и частоты. ![]() Таблица 9.14. Характеристики серводвигателей переменного тока (50 и 60 Гц) Характеристики серводвигателей переменного тока для частоты 50(60) Гц приведены в табл. 9.14, а для 400 Гц - в табл. 9.15. Существует много изготовителей двигателей переменного тока и большое количество видов и марок двигателей. Здесь указана лишь весьма небольшая их часть. Существуют также различные конструкции редукторных механизмов и тахогенераторов, используемых в зависимости от конкретного назначения привода. ![]() Таблица 9.15. Характеристики серводвигателей переменного тока (400 Гц) б) Серводвигатели постоянного тока. Двигатели постоянного тока уступают двигателям переменного тока в следующем. Проблемой для них являются обслуживание и долговечность из-за наличия контактных колец, момент трения обусловливает зону нечувствительности, имеется искрение и т. д. Однако в качестве исполнительных двигателей они имеют также значительные преимущества. Эти двигатели малогабаритны, у них высокая выходная мощность и высокий к. п. д. (фиг. 9.29 и 9.30), а также большой пусковой момент. Они допускают изменение скорости в широком диапазоне. Управление возможно как со стороны якоря, так и со стороны обмотки возбуждения. Коэффициент полезного действия остается высоким в широком диапазоне скоростей. В некоторых случаях систему привода можно построить таким образом, чтобы исключить потребление двигателем мощности в отсутствие управляющего сигнала. В силу таких особенностей серводвигатели постоянного тока часто применяют в устройствах сравнительно большой oмощности. ![]() Фиг. 9.29. К. п. д. различных двигателей ![]() Фиг. 9.30. Вес двигателей различного типа Среди серводвигателей постоянного тока имеются двигатели с гладким якорем и двигатели с печатным якорем, которые благодаря малой инерционности ротора отличаются высоким быстродействием. Эти двигатели имеют также малую электромагнитную постоянную времени и находят в настоящее время широкое применение. Возможно использование их в повторно-кратковременном режиме работы в сочетании с демпфером для быстрого успокоения. В некоторых станках они применяются вместо шаговых двигателей. ![]() Таблица 9.16. Характеристики серводвигателей постоянного тока Часто используется широтно-импульсное управление с питанием двигателя по схеме Леонарда от статического преобразователя. Систему управления в этих случаях необходимо проектировать таким образом, чтобы использовать не более 50-60% номинальной мощности двигателя вследствие его дополнительного нагрева переменной составляющей тока. Особенно важной проблемой в крупногабаритных двигателях, как и в двигателях переменного тока, становится охлаждение. В табл. 9.16 приведены характеристики серводвигателей постоянного тока, в табл. 9.17 - двигателей с гладким якорем, а в табл. 9.18 - двигателей с печатным якорем. ![]() Таблица 9.17. Характеристики двигателей Минерция (с гладким якорем) ![]() Таблица 9.18. Характеристики двигателей с печатным якорем в) Шаговые двигатели. Шаговым двигателям свойственны такие преимущества, как простота регулирования положения и скорости, возможность управления с разомкнутым контуром регулирования, высокое быстродействие, сравнительно большой крутящий момент, возможность непосредственного управления с помощью дискретных сигналов и т. д. Они отличаются особенностями, делающими их отличными исполнительными двигателями для роботов. Однако если при проектировании недостаточно учтены величина нагрузки и ее момент инерции, то это может привести к нарушению в работе двигателя. С ростом момента инерции нагрузки увеличивается электромеханическая постоянная времени шагового двигателя, что сказывается на величине его выходного крутящего момента, зависящего от скорости нарастания импульсов. В тех случаях, когда требуется высокая выходная мощность, используют шаговые двигатели с гидравлическими усилителями. ![]() Таблица 9.19. Характеристики шаговых двигателей ![]() Таблица 9.19. Характеристики шаговых двигателей Характеристика шаговых электродвигателей приведена в табл. 9.19. Указанные в таблице характеристики дают лишь общие сведения о двигателях, поэтому при проектировании приводов следует пользоваться графиками, приведенными на фиг. 9.31 и 9.32. ![]() Фиг. 9.31. Характеристики крутящий момент - скорость шаговых электродвигателей ![]() Фиг. 9.32. Характеристики крутящий момент - скорость электрогидроприводов с шаговым электродвигателем г) Поворотные электромагниты. Такие электромагниты применяются для поворота механизмов на определенный угол, для возвратно-поступательного движения или - в сочетании с храповыми механизмами - для поступательного движения. Возможно регулирование выходного крутящего момента изменением тока, что делает поворотные электромагниты пригодными в качестве исполнительных двигателей для промышленных роботов. В табл. 9.20 даны примеры характеристик поворотных электромагнитов. ![]() Таблица 9.20. Характеристики поворотных электромагнитов 1 (Величины указаны с учетом изменения мощности в диапазоне температур 20-105 0С) 2 (Время срабатывания - время, необходимое для поворота на номинальный угол; время, необходимое для возврата, которое приблизительно в 1-1,5 раза больше, сюда не входит.) ![]() Таблица 9.20. Для определения действительного значения следует вычесть из величины момента, указанной в данной таблице 9.20., момент пружины возврата, указанный в этой таблице 4) Пневматические исполнительные механизмы. Можно указать следующие характерные особенности пневматических исполнительных механизмов: простота управления (заводские механики легко осваивают их и без особого труда обслуживают), дешевизна, высокая надежность, пожаробезопасность, отсутствие загрязнений. Но есть у них и недостатки: трудность поддержания заданной скорости и осуществления позиционного управления, низкая выходная мощность, необходимость вводить в конструкцию смазку и предупреждать коррозию. Отсюда очевидно, что использование воздуха предпочтительно в тех случаях, когда нет необходимости в устройствах с высокой выходной мощностью, когда имеются ограничения в окружающей среде при эксплуатации, нельзя рассчитывать на достаточно высокий уровень квалификации механиков и специалистов на производстве, существуют ограничения в отношении стоимости и т. д. Пневматические исполнительные механизмы подразделяются на устройства прямолинейного и вращательного движений. В табл. 9.21 выделено десять классов устройств. Классификация по типу (конструкции дана в табл. 9.22. ![]() Таблица 9.21. Классификация пневматических исполнительных механизмов ![]() Таблица 9.22. Классификация исполнительных механизмов по типу конструкции При использовании цилиндров необходимо обратить внимание на следующие моменты: нагрузка обязательно должна быть приложена в осевом направлении; при монтаже должно быть обеспечено отсутствие перекосов в цилиндре; необходимо предусматривать запас хода и выходной мощности; требуется подбор смазочных средств; необходимы надлежащий выбор температуры окружающей среды, использование чистого воздуха и удаление грязи из трубопроводов. При техническом обслуживании основными вопросами являются регулярный осмотр и замена трущихся деталей с изношенными поверхностями и уплотнений, так как главной причиной снижения выходной мощности цилиндра является течь через уплотнения и из-за износа рущихся деталей. При использовании сильфонных ци-индров необходима особая осторожность, поскольку яльфон легко повреждается при скручивании вала. Не педует также прокручивать вал вручную. В табл. 9.23 приведены примеры характеристик меющихся в Японии распределителей исполнительных еханизмов, в которых за основу взяты ход поршня и гол поворота. В таблице указаны параметры распределителей максимальных и минимальных типоразмеров, ромежуточные опущены. В настоящее времй утверждайся японские промышленные стандарты JIS на цилинды с одним штоком двустороннего действия с клапан-ым управлением. ![]() Таблица 9.23 5) Гидравлические исполнительные механизмы. В современных промышленных роботах широко применяют гидравлические исполнительные механизмы. Это бъясняется тем, что устройства гидравлического типа меют ряд преимуществ, в частности легкость, компактность, возможность использования высокого давления, ебольшой коэффициент сжатия, высокую частоту собственных колебаний, легкость регулирования давления и асхода, простоту усиления; они удобны в обслуживании простота осуществления остановки, простота смазки др.). Но они имеют также недостатки. К ним относятся: необходимость в автономном энергетическом блоке; изменение вязкости под влиянием температуры, что ызывает изменение потерь давления в трубопроводе, и зменение характеристик из-за внутренних утечек; горючесть масла; необходимость трубопроводов и проверки абочей жидкости; как правило, большие затраты в на-альный период и т. д. В промышленных роботах гидравлические испблни-ельные механизмы чаще всего используются следующим образом. Прямолинейное движение осуществляет-я с помощью гидроцилиндров (одноштоковых, двустороннего действия, моментных гидроцилиндров и зубчатых реек). Движения поворота осуществляются с помощью установленных шарнирно гидроцилиндров, гидромоторов и редукторов, гидроцилиндров и реечных передач, а также цепных передач. Имеется множество видов гидравлических исполнительных механизмов, включая конструкции возвратно-поступательного движения и вращения. Перечислим моменты, на которые следует обратить особое внимание при применении гидравлических исполнительных механизмов в позиционных системах управления с сервомеханизмами. 1) Желательно уменьшение трения, так как в противном случае увеличивается зона нечувствительности и ухудшается точность остановки. Кроме того, если разница между статическим и динамическим трением чрезмерно велика, может наблюдаться прерывистое движение и ухудшаются возможности управления. 2) Естественно, что допустимы только небольшие-внутренние утечки, так как при повышенной утечке снижается возможность стабильной остановки и падает к. п. д. 3) Требуются хорошие характеристики при низких скоростях. Для промышленных роботов необходимо, чтобы минимальное число оборотов на низких скоростях было достаточно низким и при этом было обеспечено плавное движение. Необходим широкий диапазон изменения скоростей от низких до высоких. 4) Исполнительные механизмы применяются как: устройства, заменяющие человека, поэтому от них требуются такие же или даже большие быстродействие и подвижность, чем у человека. Вследствие этого необходимо выбирать устройства, имеющие хорошие частотные характеристики. Кроме того, при расчете занимаемой при установке механизмов площади требуются также малогабаритность и небольшой вес. Испольнительные механизмы используются как одно из звеньев в системе производственного оборудования, поэтому они должны быть достаточно прочными. От исполнительных механизмов как автоматических устройств, естественно, требуется непрерывная надежная работа в течение 24 ч. Необходимо предусмотреть возможность форсированного режима эксплуатации, возможность частых пусков и остановок, прямого и обратного хода и т. д. В табл. 9.24 приведены примеры гидравлических серводвигателей таких систем, в (которых преобразователь и исполнительный механизм составляют единое целое; это как раз характерные примеры гидравлических исполнительных механизмов. ![]() Таблица 9.24. Примеры типичных гидравлических серводвигателей Электрогидравлические шаговые двигатели занимают важное место в промышленности с тех пор, как в центре внимания оказались станки с числовым программным управлением. Эти двигатели состоят из электрического шагового двигателя; и гидравлического усилителя. Как и электрические шаговое двигатели, они имеют ряд преимуществ, например возможность нелосредственного числового управления, легкость регулирования положения и скорости и, следовательно, возможность управления с разомкнутым контуром. Эти двигатели включают гидравлический усилитель, поэтому у них большой выходной момент, хорошее быстродействие и стабильность работы как при большой инерции нагрузки, так и при колебаниях момента нагрузки. Как исполнительные механизмы, которые можно применить даже в крупногабаритных роботах, они обладают превосходными качествами. Однако к ним необходима автономная гидростанция, поэтому в тех случаях, когда их включают в конструкцию робота, следует уже при конструировании позаботиться о компактности этого агрегата. В табл. 9.25 собраны характеристики различных электрогидравлических шаговых двигателей. ![]() Таблица 9.25. Характеристики шаговых электродвигателей На фиг. 9.33 приведены характеристики выходного момента и выходной мощности (л. с.) различных электрогидравлических шаговых двигателей. ![]() Фиг. 9.33. Крутящий момент и мощность электрогидроприводов с шаговым электродвигателем. а - крутящий момент на выходе; б - мощность, л. с |
![]()
|
|||
![]() |
|||||
© ROBOTICSLIB.RU, 2001-2019
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник: http://roboticslib.ru/ 'Робототехника' |