3.3. Электродвигатели ПР

К исполнительным электродвигателям, применяемым в ПР, предъявляется ряд требований, основные из которых следующие: возможность торможения вала двигателя при снятии сигнала управления; широкий диапазон регулирования частоты вращения; линейность характеристик; устойчивость работы во всем диапазоне частот вращения; большой пусковой момент; малая мощность управления; быстродействие; надежность в работе, малые массогабаритные характеристики.

В качестве исполнительных двигателей применяют электродвигатели постоянного тока, шаговые двигатели и электродвигатели переменного тока.

Исходными данными для выбора типа электродвигателя являются конструкция ПР, особенности его работы и область применения.

Конструктивные особенности ПР обусловливают ограничения, касающиеся в первую очередь массогабаритных характеристик двигателей. Например, если предусмотрено расположение привода на основании ПР, то к массе и габариту электродвигателя не предъявляют особо жестких требований (в этом случае в основном ограничиваются соблюдением правил технической эстетики); если же предусмотрено расположение электроприводов непосредственно в звеньях ПР, то масса и габарит Двигателей должны быть минимально возможными.

Особенности использования ПР также оказывают влияние на выбор типа двигателя. Например, для реализации высоких динамических характеристик ПР необходимо применение малоинерционных электродвигателей.

Область применения ПР зачастую имеет решающее значение при определении типа электродвигателя. Например, использование ПР во взрывоопасной среде обусловливает применение электродвигателя без коллекторных щеток, а использование ПР в горячих цехах - двигателей, защищенных соответствующими изоляционными материалами.

Эффективное использование ПР во многом зависит от правильного выбора мощности электродвигателя. Применение двигателя недостаточной мощности может привести к нарушению нормальной работы отдельных механизмов ПР, а в ряде случаев - к аварии. Применение двигателя завышенной мощности приводит к снижению электрических показателей, уменьшению КПД двигателя, а также к утяжелению всей конструкции ПР. Необходимо, чтобы выбранный для конкретной модели ПР двигатель обеспечивал момент, достаточный для разгона и торможения механизма с заданным ускорением, и не подвергался воздействию перегрузок, которые ведут к перегреву двигателя.

Важным требованием при определении мощности двигателя является соблюдение необходимого теплового режима, нарушение которого приводит к порче изоляции обмоток и к сокращению срока службы двигателя.

Предельный тепловой режим соответствует номинальной нагрузке при температуре окружающей среды 40 °С и высоте над уровнем моря до 1000 м. Если температура окружающей среды выше 40 °С, то нагрузка двигателя должна быть ниже номинальной, а если ниже 40 °С, то нагрузка может быть выше номинальной.

На тепловой режим двигателя существенное влияние оказывает режим его работы. Различают следующие основные режимы работы электродвигателя: продолжительный (Si), связанный с неизменной номинальной нагрузкой; кратковременный (S₂), при котором периоды неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения, а время отключения достаточно для охлаждения двигателя до температуры окружающей среды; повторно-кратковременный (S₃), при котором кратковременные периоды неизменной номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения, а время отключения недостаточно для охлаждения двигателя до температуры окружающей среды.

Относительная продолжительность включения (ПВ) (в %) определяется по формуле ПВ = (_tp/_tц)*100, где t_p - время работы; t_ц = t_p + t_о - время цикла; t_о - время отключения.

При ПВ = 50% можно снизить требования к тепловому режиму двигателей и в ряде случаев применить двигатель с меньшей номинальной мощностью (уменьшить его массогабаритные характеристики).

В зависимости от вида нагрузки и конструктивной схемы ПР мощность N_д двигателя (в кВт) определяют по одной из следующих формул: N_д = kN_p; N_д = ^(kM_ph_p)/_(9,55*10³); N_д = 10^-3kP_pv_p.

Здесь: M_p - требуемый крутящий момент привода исполнительного механизма робота; h_p - частота вращения привода исполнительного механизма робота, об/мин; P_p - нагрузка на исполнительный механизм робота, H; v_p - скорость исполнительного механизма робота, м/с; k = 1÷3 - коэффициент, учитывающий потери в механических передачах робота.

По рассчитанной мощности с учетом дополнительных конструктивных и эксплуатационных ограничений по каталогу выбирают электродвигатель. При этом если двигатель допускает перегрузку, а работает в режиме S₂ и S₃, то его номинальная мощность может быть несколько меньше расчетной; если двигатель не допускает перегрузок либо работает в режиме S₁, то его номинальная мощность должна быть равна или несколько больше расчетной.

Комплектный электропривод представляет собой автоматическую систему, обеспечивающую отработку исполнительным органом ПР заданной траектории перемещения с определенной точностью. Комплектные ?приводы, применяемые для управления отдельными механизмами ПР, подразделяются на разомкнутые и следящие. Разомкнутые приводы включают в себя: электронный коммутатор; усилитель фазных токов; шаговый двигатель.

Следящие приводы, используемые для регулирования частоты вращения двигателей постоянного и переменного тока, включают в себя: приемное и следящее устройства; усилитель; датчики обратной связи; источник энергии; исполнительный механизм. Эти элементы связаны между собой и обеспечивают автоматическое устранение рассогласований в системе управления ПР.

В соответствии с требованиями системы управления ПР следящие приводы выполняются с различными схемами обратной связи, которые обеспечивают управление в функции угла рассогласования, его производной и по другим критериям.

К основным техническим требованиям, предъявляемым к комплектным электроприводам ПР, относятся: обеспечение постоянной частоты вращения двигателя при переменной внешней нагрузке; поддержание постоянного момента на валу двигателя во всем диапазоне частот вращения; обеспечение апериодического процесса регулирования двигателя (без колебаний); обеспечение высокой точности отработки двигателем управляющих воздействий.

Для обеспечения безопасности при эксплуатации ПР важным является включение в состав комплектного привода электромагнитного тормоза, фиксирующего положение вала двигателя при случайных перерывах в питании.

Следящие приводы могут быть с релейным или непрерывным управлением. В приводе с релейным управлением напряжение на двигатель подается только тогда, когда рассогласование превышает определенную величину (порог); причем угловая скорость двигателя после включения не зависит от величины рассогласования. Следящие приводы непрерывного управления являются сложными конструкциями и обеспечивают более высокую точность отработки управляющих воздействий, чем разомкнутый привод; их отличительной особенностью является непрерывное управление исполнительным двигателем ПР, зависящее от угла рассогласования.

В следящих приводах управляющее воздействие определяет частоту вращения двигателя. В ПР необходимо обеспечить отработку требуемого положения соответствующего звена робота с помощью системы управления, позволяющей сравнивать сигнал датчика положения с программной величиной и вырабатывающей управляющее воздействие на привод.