Приводы манипуляторов как источник движения
Для передвижения роботов по открытой местности чаще всего используют колёсную или гусеничную систему. Реже используются шагающие системы. Для неровных поверхностей создаются гибридные конструкции, сочетающие колёсный или гусеничный ход со сложной кинематикой движения колёс. Такая конструкция была применена в луноходе.
Для промышленных роботов внутри производственных помещений, чаще используется способ передвижения вдоль монорельсов, по напольной колее или вдоль оси кабеля, расположенного в полу цеха, по которому пропускается ток высокой частоты.
В качестве источников движения в промышленных роботах могут применяться приводы:
· на основе электродвигателей;
· пневматический привод (пневмопривод);
· гидравлический привод (гидропривод).
В качестве источника энергии используются электрические двигатели. В настоящее время в качестве приводов обычно используются двигатели постоянного тока, шаговые электродвигатели и сервоприводы.
Электродвигатель не требует промежуточного рабочего тела (жидкости или воздуха), нет необходимости в гидростанциях, издающих шум, легко регулируется по скорости. С ним просто создаются замкнутые следящие приводы, характерные для контурных систем управления. Этот вид привода получает все большее распространение.
Кроме самого привода, для конструкции промышленного робота характерно наличие:
1) усилителей мощности,
2) передаточных устройств,
3) корректирующих цепей (по необходимости),
4) датчиков обратной связи (также по необходимости).
Существуют разработки двигателей, не использующих в своей конструкции моторов: например, технология сокращения материала под действием электрического тока (или поля) (электроконтактные полимеры), которая позволяет добиться более точного соответствия движения робота натуральным плавным движениям живых существ.
В одной конструкции промышленного робота возможно сочетание различных приводов. При этом должны выполняться требования:
· минимальные габариты и вес конструкции;
· повышенные энергетические характеристики и экономичность;
· легкость регулирования в большом диапазоне скоростей;
· реверсивность движений;
· плавность движений, простота изменения режимов.
Пневматические приводы.Наиболее просты приводы с пневматическими силовыми цилиндрами. Они могут быть непосредственно связаны с механизмами поступательного перемещения либо преобразовывать его во вращательное (рис. 2.13).
Рис. 2.13. Типы пневмоприводов, используемых промышленными роботами: а – модуль поступательного перемещения с силовыми цилиндрами; б – высокомоментные электродвигатели непосредственно в шарнире модуля; в – с механизмом типа «рейка-шестерня»; г – с парой винт-гайка; д – гибкая связь с использованием цепи, ленты и т.д.
Исполнительные пневмоцилиндры – это цилиндры с прямолинейным движением поршня. Подача сжатого воздуха в них производится через пневмораспределитель, а выход воздуха в атмосферу – через другой штуцер. Скорость движения регулируется пневматическим дросселем с изменяющимся проходным сечением, который срабатывает на выходе из цилиндра. Подробней изображено на схеме рис. 2.14.
Рис. 2.14. Пример линейного пневмопривода с распределителем
Приведем для примера также схему пневматического циклового робота (для одной степени подвижности), изображенную на рис. 2.15.
Пневмодвигатель дает большую скорость движения. При цикловом управлении перемещение ограничивается упорами. Для исключения резких ударов в конце хода предусматривается плавное торможение. С этой целью используется внутренний процесс торможения либо устанавливается внешний демпфер.
Часто ставится задача обеспечить несколько точек позиционирования, что может быть обеспечено за счет конструкции самого пневмоцилиндра. Такая разновидность приводного пневмоцилиндра изображена на рис. 2.16.
1 – входной штуцер; 2 – вентиль; 3 – фильтр с влагоотделителем; 4 – редукционный клапан; 5 – манометр; 6 – маслораспылитель; 7 – пневмораспределитель двухпозиционный; 8 – пневмоцилиндр
Рис. 2.15. Схема пневматического циклового робота (одной степени подвижности)
1 – корпус; 2 – шток.
Рис. 2.16. Пневмоцилиндр, обеспечивающий четыре точки позиционирования
За счет работы левого цилиндра АВ корпус 1 может перемещаться на величину X1, а выходной шток 2 за счет работы правого цилиндра CD – на величину X2, причем отношение расстояния X1 к расстоянию X2 равно отношению 1 к 2. Поэтому, если оба перемещения отсутствуют, имеем положение I, при перемещении на X1 – положение II, при X2 положение III, а при X1 и X2 одновременно – положение IV.
По второй схеме (рис. 2.17) несколько позиций остановки рабочего органа обеспечивается выполнением в устройстве нескольких выходных отверстий (1-7) для выхода воздуха в атмосферу, причем одновременно открывается только одно из них. Именно в этой позиции произойдет позиционирование (остановка) поршня приводного цилиндра.
Например, надо остановить его в позиции 4, тогда должно открыться отверстие с этим номером, и поршень остановится, когда перекроет его.
Рис. 2.17. Устройство позиционирования – многопозиционный позиционер
Промышленные роботы, использующие пневмопривод, могут оснащаться системой управления с обратной связью, примерная схема которого приведена на рис. 2.18.
Такая система призвана повысить точность работы в моменты позиционирования. Здесь учитывается важнейшая погрешность робота, называемая погрешностью позиционирования (ΔП).
Система позиционирования с датчиком обратной связи (см. рис. 2.18) содержит пневмоцилиндр 1, обеспечивающий рабочие перемещения робота, тормозной пневмоцилиндр 2 с фрикционной накладкой, крепящейся к штоку, датчик обратной связи 3, вращающийся при движении рейки 4, жестко связанной со штоком основного приводного пневмоцилиндра.
В системе имеется управляющее устройство (УУ), выполненное в
1 – пневмоцилиндр основной; 2 – пневмоцилиндр тормозной; 3 – датчик обратной связи; 4 – рейка; 5 – шток исполнительного устройства
Рис. 2.18. Пневматическая система позиционирования с датчиком обратной связи (принципиальная схема)
виде электронного блока, которое обеспечивает включение и выключение электромагнитов пневмораспределителей по сигналам, поступающим от датчика обратной связи.
Характер торможения может быть различным, что иллюстрируется графиком изменения скорости рабочего хода (VР.Х) рабочего органа робота в функции пути торможения (L). График возможных вариантов работы привода в режиме торможения представлен на рис. 2.19.
Рис. 2.19. График работы системы торможения и образование погрешности позиционирования
На графике нижние кривые показывают плавное изменение скорости с разным убыванием ее величины, чем объясняется возникновение погрешности позиционирования (∆П), а верхняя кривая демонстрирует ступенчатое торможение, состоящее из трех этапов.
Последние получаются включением и выключением тормозного пневмоцилиндра.
Гидравлические приводы. В качестве приводов промышленных роботов успешно применяются гидроприводы, выполняемые двух видов:
1) привод дроссельного управления, который выполняется:
· с гидронасосом постоянной подачи;
· с гидронасосом переменной подачи.
2) привод объемного управления.
Управляться может либо гидроцилиндр, либо гидромотор. Гидронасос постоянной подачи имеет более низкую стоимость, чем переменной подачи, но в этом случае возрастают энергетические затраты из-за потерь при постоянном нагнетании жидкости высокого давления.
Этих недостатков нет у привода дроссельного управления с гидронасосом переменной подачи (рис. 2.20).
1 – масляный бак; 2 – заборный фильтр; 3 – гидронасос переменной подачи; 4 –регулятор подачи насоса; 5 – электродвигатель; 6 – фильтр тонкой очистки масла; 7 – пневмогидравлический аккумулятор; 8 – золотниковый распределитель; 9 – гидроцилиндр; 10 – золотник; 11 – гидромотор
Рис. 2.20. Схема гидравлического привода дроссельного управления с гидронасосом переменной подачи.
Поэтому постоянная подача масла в гидростанции характерна для моделей ПР малой грузоподъемности, а переменной – для роботов большой и сверх большой грузоподъемности.
Регулятор 4 служит для стабилизации давления в нагнетающей магистрали при резких изменениях давления (подключение, отключение потребителей). Дросселирование потоков рабочей жидкости идет за счет изменения проходных сечений золотниковых распределителей 8 и 10.
Проходное сечение зависит от положения кромок золотника относительно протоки золотниковой втулки. Смещение соответствующего золотника пневмораспределителя определяет скорость и направление перемещения штока гидроцилиндра 9.
1 – масляный бак; 2 – заборный фильтр; 3 – гидронасос переменной подачи; 4 – электромотор; 5 – гидронасос с изменяющейся подачей масла; 6 – микрогидродвигатель дроссельного управления; 7 – обратный клапан;
8 – предохранительный клапан; 9 – гидромотор; 10 – гидроцилиндр
Рис. 2.21. Схема гидравлического привода объемного управления
Подача масла гидронасосом 5 регулируется гидродвигателем 6, работающим по принципу дроссельного регулирования от насоса 2 постоянной подачи. Обратные клапаны 7 служат для подпитки гидросистемы маслом, а клапаны 8 исключают случайные перегрузки в магистралях. Особенность системы заключается в том, что каждый из двигателей 9 и 10 должен иметь свою отдельную систему регулирования (4, 5, 6).
Часто в гидросистемах промышленных роботов используется неполноповоротный лопастной гидродвигатель, называемый также гидроквадрантом (рис. 2.22). Вал 1 с лопастью 2 поворачивается в корпусе 3 при поступлении масла под давлением в ту или иную полость корпуса от специального золотникового устройства 4.
Устройство может поворачивать звено механизма манипулятора без промежуточных передач, что значительно упрощает конструкцию привода в целом. Угол поворота вала доходит до 270о.
1 – поворотный вал, 2 – лопасть, 3 – корпус, 4 – штуцера золотникового устройства
Рис. 2.22. Неполно-поворотный гидродвигатель (гидроцилиндр)