книги / Механика промышленных роботов и манипуляторов с электроприводом

ность и люфт в зубчатых зацеплениях, передаточное отношение, деформа­ ции кручения валов и муфт).

Манипулятор представляет консольную балку, составленную из шар­ нирно соединенных звеньев с силовым замыканием шарниров* В качестве нагрузки выступает собственный вес балки, вес рабочего органа с деталью или инструментом. Для манипуляторов характерен низкий показатель “грузоподъемность —собственная масса” (не свыше 5 % ), только при таком условии обеспечиваются приемлемые жесткостные показатели.

Наибольшие статические нагрузки действуют в вертикальной плоско­ сти; наибольшие динамические нагрузки возникают при переносном дви­ жении в фазах разгона и торможения и действуют в горизонтальной плоскости. Если считать звенья достаточно жесткими, основная податли­ вость сосредоточивается в шарнирах. Она вызывается прежде всего подат­ ливостью валов и зубчатых колес. Упругая деформация в шарнире вычисляется по формуле

AQ - eQ,

где е — приведенная податливость шарнира; Q — усилия по обобщенной координате.

Рассчитав усилие Q исходя из заданных внешних сил, а затем восполь­ зовавшись формулой (7.6), можно найти ошибку позиционирования ис­ полнительной точки. Такая ошибка называется статической. Если в число внешних сил включены силы инерции, таким путем может быть найдена приближенная динамическая ошибка. Для точного определения динамиче­ ской ошибки следует учесть колебания системы, что, как показывают практические расчеты, дает увеличение ошибки примерно в 2 раза.

Существенное влияние на точность и динамику роботов оказывают за­ зоры в кинематических парах (люфты). В электромеханических приводах используются три способа устранения или уменьшения зазоров: создание безредукторных приводов на базе высокомоментных тихоходных электро­ двигателей; обеспечение высокой точности изготовления и монтажа пере­ дач; принудительная выборка зазоров с помощью специальных конструктив­ ных приемов и люфтовыбирающих механизмов.

Создание безредукторного привода является перспективным направле­ нием в манипуляторостроении. Однако пока не решена проблема снижения массы высокомоментных электродвигателей, их установка непосредствен­ но в шарнирах манипулятора маловероятна. При размещении такого при­ вода на основании теряются все его основные преимущества.

Повышение точности изготовления передач и их индивидуальная под­ гонка являются традиционным путем, однако при этом увеличивается тру­ доемкость работ и резко удорожается изделие. По этой причине большое распространение получили методы принудительной выборки зазоров в ки­ нематических парах.

Например, в зубчатой передаче для этой цели применяются эксцентри-

Рис. 7.2. Безлюфтовое приводное устройство звена манипулятора

ковые втулки, с помощью которых можно регулировать межосевое рассто­ яние. Другой способ выборки зазоров состоит в использовании сдвоенных подпружиненных колес. Для выборки зазора в конической передаче доста­ точно переместить одно из колес вдоль оси. Более сложно решается вопрос выборки зазоров в планетарных и волновых передачах. Поэтому их стара­ ются использовать в первых ступенях передач, а во вторых ступенях — рядовые зубчатые передачи.

Широко распространенным решением этой задачи является передача движения с помощью двух параллельных кинематических цепей с одина­ ковыми передаточными отношениями. В одной из цепей устанавливается предварительно закрученный торсион, вследствие чего образуется замкну­ тый контур с натягом в каждой зубчатой паре. Так, например, на рис. 2.11 кинематическая цепь, включающая торсион Т и редуктор # 2 , введена специально для выборки зазора в зубчатых зацеплениях механизма приво­ да кисти. Усилие закрутки должно превышать рабочее усилие, передавае­ мое кинематической цепью, и обеспечивать нераскрытое зазора во всем диапазоне нагрузок. Однако большой предварительный натяг нежелате-

лен, так как возникают большие потери. В некоторых случаях при доста­ точной упругости роль торсиона может выполнять параллельная кинема­ тическая цепь.

На рис. 7.2 представлено устройство беззазорного привода, применяемо­ го в роботах фирмы “Кика”. Движение передается от двигателя 1 через ременную передачу 2 на упругий торсионный вал 3 и далее двумя потоками через планетарные механизмы 4 на-водила 5, присоединенные к ведомому звену 7. Устройство для затяжкиторейона 6 расположено между ведомым звеном 7 и водилами 5. При регулировке закрутки торсиона регулировоч­ ные перемещения многократно увеличиваются планетарными передачами, работающими в обратном направлении как мультипликаторы. Таким обра­ зом, малое регулировочное перемещение обеспечивает значительный по­ ворот торсионного вала, тем самым повышая чувствительность привода к регулировкам.

Контрольные вопросы

1 . Что понимается под точностью манипулятора? Что такое точность позиционирования? Какие требования предъявляются к точности позиционирования манипуляторов? Как точность позиционирования связана со схемой манипулятора?

2.Что понимается под первичными погрешностями механической системы? В чем прояв­ ляется погрешность привода?

3.Дайте сравнительную оценку точности различных датчиков обратной связи по положе­

нию.

4.Как подсчитывается относительная точность манипулятора и как классифицируются роботы по относительной точности?

5.Запишите формулу для оценки то'шости позиционирования открытой кинематической цепи исходя из заданных первичных погрешностей.

6.Какие факторы влияют на точность манипулятора?

7.Охарактеризуйте способы повышения точности зубчатых передач.

8.ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ

8.1.Структура и классификация электроприводов

Электроприводом называется устройство, состоящее (рис. 8.1) из элек­ тродвигателя (Д), передаточного устройства (ЯУ), силового преобразова­ теля (Я) и управляющего устройства ((УУ).

Основным назначением электродвигателя в приводе является преобра­ зование электроэнергии источника питания ШП) в механическую энергию вращающегося вала или в энергию линейно перемещающихся масс (линей­ ный двигатель). Иными словами, двигатель должен развивать движущее усилие: движущий момент или движущую механическую силу, передавае­ мую исполнительному устройству (ЯУ). В некоторых случаях электродви­ гатель осуществляет обратное преобразование: механическую энергию вра­ щения или линейного перемещения, поступающую от исполнительного устройства,— в электрическую. В этом случае он создает тормозной момент.

В современном электроприводе двигатель приводит в движение испол­ нительное устройство через передаточное, понижающее либо повышающее частоту вращения (редукторы, клиноременные передачи и т.д.), изменяю­ щее вид движения (зубчато-реечные, кривошипно-шатунные и т.д.). В некоторых приводах электродвигатель непосредственно соединен с испол­ нительным устройством.

Важным элементом электропривода является силовой преобразователь, необходимость в котором вызвана следующими причинами. Во-первых, у электроприводов должна изменяться частота вращения. Как правило, этого добиваются регулированием напряжения или тока, потребляемого двигате-

Рис. 8.1. Структурная схема электропривода://#— источник питания; П —преобразова­ тель силовой; Д —электродвигатель; ПУ — передаточное устройство; ИУ — исполнительное

устройство; УУ — управляющее устройство; Us — задающий сигнал

лем. В то же время указанные параметры источников питания—нсизмен- ные. Во-вторых, для работы двигателя постоянного тока необходимо пода­ вать на его обмотки постоянное напряжение, а промышленная сеть имеет переменное напряжение. Поэтому для се использования в качестве источ­ ника питания необходимо преобразовать один вид напряжения в другой.

Для регулирования напряжения и частоты, а также для преобразования одного вида напряжения в другой используют преобразователи. В электро­ приводах большой мощности применяют электромашинные преобразова­ тели. В последнее время с развитием сильноточной полупроводниковой электроники все большее распространение получают транзисторные и ти­ ристорные преобразователи.

В современном производстве эксплуатируют огромное количество раз­ нообразного оборудования, обеспечивающего тот или иной технологиче­ ский процесс.

Управляющее устройство электроприводов служит для управления пре­ образованием электроэнергии в механическую и обеспечения необходимо­ го качества технологического процесса.

Как следует из рис. 8.1, управление совершается воздействием на пре­ образователь и двигатель управляющих сигналов, выработанных управля­ ющим устройством. Управляющий сигнал может формироваться с учетом только задающего сигнала £/3 или задающего и сигналов, поступающих от других элементов привода. Так, на рисунке приведен случай, когда на управляющее устройство поступают сигналы только от исполнительного устройства. Связи, обеспечивающие поступление сигналов на управляю­ щее устройство от других элементов, называются обратными.

Так как технологические процессы современного производства сложны, а требования к технологической дисциплине постоянно возрастают, возни­ кает необходимость широкого использования достижений современной на­ уки и техники при создании УУ. В настоящее время применяют полупроводниковые устройства, управляющие вычислительные машины, микропроцессоры.

Электроприводы в зависимости от их признаков делятся на классы. Причем в каждый класс входят только те приводы, которые обладают ка­ ким-то общим признаком. Например, классификация осуществляется по применяемому двигателю, ввиду силового преобразователя и т.д.

По видам регулирования приводы можно разделить на нерегулируе­ мые,регулируемые следящие, программно-управляемые, адаптивные и др.

Нерегулируемыми называются приводы, которые приводят в движение исполнительные устройства с одной й той же скоростью, т.е. обеспечиваю­ щие простейшие операции (пуск, останов, иногда реверсирование двигате­ ля) . При этом в установившемся режиме частота вращения определяется естественной механической характеристикой и моментом статической на­ грузки.

Регулируемыми называются приводы, в которых частота вращения дви­ гателя способна изменяться под воздействием сигнала управления.

Следящие приводы способны обеспечивать автоматическое преобразо­ вание любого не заданного заранее входного сигнала в движение исполни­ тельного устройства. При этом входным сигналом можетбыт|ь угол поворота какого-либо входного вала, в результате чего выходной вал исполнитель­ ного устройства должен повторять его движение.

Программно-управляемыми приводами называются приводы, у кото­ рых линейное или вращательное перемещение осуществляется по заданной программе. Программа представляет последовательность траекторий (или законов) движения исполнительного устройства, воспроизводимых приво­ дом. Носителем программы могут служить копиры, перфоленты, магнит­ ные ленты и т.д.

Адаптивные приводы способны осуществлять автоматический выбор на­ илучшего режима работы двигателя при изменении структуры и парамет­ ров системы управления.

8.2. Способы регулирования электропривода и его основные показатели

Для подавляющего большинства исполнительных устройств от электро­ двигателя требуется изменение частоты вращения его вала в процессе ра­ боты в соответствующих пределах. Это относится, например, к металло­ режущим станкам, манипуляторам роботов, подъемным, транспортным и другим устройствам. В настоящее время невозможно добиться высоких производительности и качества выпускаемой продукции, это касается прежде всего гибких автоматизированных производств (ГАП), без регули­ рования частоты вращения электродвигателя.

Регулированием называется принудительное изменение скорости элек­ тропривода в соответствии с требованием технологического процесса и не­ зависимо от значения момента статической нагрузки.

Частоту вращения можно регулировать механическими способами (пе­ редаточным устройством) или электрическими. Так как большое внимание уделяется плавности регулирования, предпочтение отдается электрическо­ му способу. Электрическое регулирование осуществляется воздействием на электромеханические параметры двигателя, в результате чего происходит изменение частоты вращения его вала.

Электрические способы регулирования подразделяются на параметри­ ческие и автоматические. В первом случае изменение параметров двигате­ ля осуществляется без учета текущего, реального значения регулируемой величины. Приводы этой группы являются разомкнутыми. Во втором слу­ чае воздействие на двигатель формируется автоматически в результате сравнения текущего состояния привода (например, частоты вращения ис­ полнительного устройства) с требуемым или заданным. Приводы этой груп-

пы замкнутые. При проектировании привода перед разработчиком стоит вопрос, какой из существующих способов выбрать. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

Диапазон регулирования — отношение максимально возможной часто­ ты вращения вала двигателя к минимальной при заданной точности регу­ лирования для установленных пределов колебания статического момента нагрузки:/} = птях/п тт. Принято диапазон регулирования выражать в виде отношения чисел, например D = 2/1; D= 10/1 ит.д.

В зависимости от вида исполнительных устройств требуются различные показатели диапазона регулирования. Так, для обрабатывающих центров в приводах главных механизмов металлорежущих станков необходим диа­ пазон регулирования D = (4/1)—(100/1) и выше, для механизмов подач универсальных станков — D= 10000/1 и т.д.

Плавность регулирования оценивается значением коэффициента плав­ ности кпл= n-Jn . _ ,,где п п f. |— ближайшие частоты вращения вала двига­ теля, получаемые в процессе регулирования. Если килФ 1, регулирование ступенчатое, кпл= 1 — плавное.

Как правило, чем выше плавность изменения частоты вращения, тем предпочтительнее способ регулирования. Однако плавный способ регули­ рования (с физической точки зрения) технически может быть реализован только как ступенчатый. Поэтому плавность регулирования больше носит характер технического показателя.

Экономичность регулирования оценивается затратами на сооружение привода и его эксплуатацию. Экономичность является комплексным пока­ зателем, отражающим производительность привода, его надежность, за­ траты на потери энергии при регулировании и т.д.

Стабильность частоты вращения определяется диапазоном ее измене­ ния при заданном отклонении момента статической нагрузки. Показатель стабильности непосредственно зависит от жесткости механической харак­ теристики (чем выше жесткость, тем выше стабильность).

Допустимая нагрузка двигателя — наибольшее значение момента ста­ тической нагрузки, который двигатель способен преодолевать в установив­ шемся режиме не перегреваясь.

8.3. Особенности электрических приводов промышленных роботов

Анализ тенденций отечественной и зарубежной робототехники показы­ вает, что все более широко в промышленных роботах используются элект­ роприводы.

Электроприводы новых серий — это в основном приводы с высокомоментными и бесколлекторными двигателями постоянного тока, асинхронными двигателями и др. Они при большом диапазоне моментов обеспечивают повышенную максимальную скорость, имеют улучшенные массогабарит­ ные показатели.

Особенностями электроприводов являются расширенный (до 0,05 Н-м) диапазон малых моментов, повышенная (до 15* 103 об/мин) максимальная частота вращения, уменьшенная инерция двигателей, возможность встрой­ ки в двигатели электромагнитных тормозов и различных датчиков.

Основные достоинства электроприводов следующие: компактная конст­ рукция двигателей; высокое быстродействие; равномерность вращения; вы­ сокий крутящий момент на максимальной скорости; высокие надежность и точность; низкие уровни шума и вибрации. К недостаткам можно отнести: наличие щеток в коллекторах двигателя постоянного тока; ограниченное использование во взрывоопасных средах; большую зависимость скорости выходного звена от нагрузки; наличие дополнительной кинематической цепи между электродвигателем и рабочим органом робота.

В качестве регуляторов тока и скорости используются чаще всего анало­ говые операционные усилители, с помощью которых легко реализуется требуемый закон управления. Датчик скорости может быть как аналого­ вым, так и цифровым. В ряде случаев применение датчика скорости вообще нецелесообразно, поскольку сигнал об изменении скорости может быть вычислен в цифровом регуляторе положения путем дифференцирования сигнала сдатчика угла.

В настоящее время применяются электроприводы двух основных типов: постоянного тока,, построенные на базе коллекторного электродвигателя постоянного тока, и переменного тока, построенные на базе бесколлекторного электродвигателя переменного тока. В практике роботостроения наи­ более широко распространен электропривод постоянного тока ввиду сравнительно простой и надежной схемы силового преобразователя, а так­ же большого разнообразия серийных электродвигателей для регулирова­ ния привода.

Из всех выпускаемых в настоящее время электродвигателей для роботов используются электродвигатели, имеющие наивысшие показатели по удельному отношению момента и мощности к единице массы и объема.

8.4. Электродвигатели постоянного тока

Основным элементом электропривода является электродвигатель. По способу возбуждения электродвигатели постоянного тока делятся на двига­ тели с электромагнитным возбуждением и с возбуждением от постоянных магнитов.

Двигатели с возбуждением от постоянных магнитов наиболее перспек­ тивны вследствие малой инерционности. К их преимуществам следует так­ же отнести высокий КПД и независимость магнитного потока возбуждения от изменений температуры окружающей среды.

По способу подведения напряжения в обмотку якоря двигатели постоян­ ного тока делятся на коллекторные и бесколлекторные. В коллекторных машинах ток подводится с помощью щеток. Недостаток таких двигателей

— искрение под щетками, что ускоряет их изнашивание и уменьшает срок службы двигателя. Магнитные системы двигателей постоянного тока с воз­ буждением от постоянных магнитов отличаются большим разнообразием (радиальные, скобообразные, кольцевые магниты идр.). В качестве магнит­ ных материалов используются дешевые ферриты, имеющие высокую коэр­ цитивную силу, что позволяет повысить мощность, т.е. создать высокомоментные двигатели.

Известны три вида конструктивного исполнения якорей двигателей по­ стоянного тока: обычный, гладкий и малоинерционный. Гладкий якорь имеет меньшее индуктивное сопротивление, чем обычный, что значитель­ но уменьшает искрение под щетками. Малоинерционный якорь исполняет­ ся полым или дисковым. Уменьшенный момент инерции таких якорей обеспечивает высокое быстродействие двигателя.

Основные типы двигателей и их характеристики приведены в табл. 8.1,

8. 2.

Передаточная функция двигателя постоянного тока относительно угло­ вой скорости имеет вид

теля, рад/(с - В); Тэ= L J Яя — электрическая постоянная времени цепи якоря, с; £яи Ля—соответственно индуктивность и активное сопротивление цепи якоря, Гн, Ом; Тм= / да>о/Л/тах —электромеханическая постоянная времени, с; / д— момент инерции ротора,кг.м2; Л/тах — пусковой момент двигателя, Н*м.

Поскольку электрическая постоянная времени на порядок меньше элек­ тромеханической постоянной Гм, двигатель относительно угловой скорости можно считать апериодическим звеном с передаточной функцией

о>п(р) If ( р ) = ----- fi- î-

V. ( Р ) <Т*Р + 1)

8.5.Электродвигатели переменного тока

Впоследнее время намечается тенденция перехода к применению в электроприводах электродвигателей переменного тока. Объясняется это тем, что у электродвигателей отсутствует механический коллектор.

Всоответствии с типом электродвигателя приводы переменного тока разделяются на два вида — асинхронные и синхронные.

Создание электропривода на базе бесколлекторного электродвигателя обеспечивает ему целый ряд преимуществ, основными из которых являются следующие.