5. Выбор комплектного электропривода

Возможно сегодня, (если исключить из рассмотрения беспроводные се­ти) автоматизированный электропривод является наиболее динамично разви­вающимся приложением. Соответственно и у разработчиков имеется богатый выбор возможностей при построении привода. Упрощенно они сводятся к сле­дующим вариантам:

• разработка на заказ и (или) контрактное производство;

• приобретение готового комплектного электропривода, а если таковой отсутствует, то приобретения его основных составляющих, например, универ­сального преобразователя частоты и привязка к нему остальных элементов сис­темы;

• построение электропривода из набора готовых модулей;

• полностью самостоятельная разработка.

5.1 Обзор современных электроприводов промышленных роботов и их анализ, выбор привода

Электромеханический привод, как и гидравлический, применяется в ро­ботах с цикловым, позиционным и контурным управлением. Соответственно он может быть регулируемым и нерегулируемым, замкнутым и разомкнутым.

Основным звеном электромеханического привода является ЭД, преобра­зующий электрическую энергию в механическую работу по перемещению звеньев ПР в пространстве, В роботах используются все типы ЭД: постоянного тока, асинхронные, синхронные (шаговые), вентильные. В электроприводе ПР могут быть реализованы способы как активного, так и пассивного управления.

Привод с активным управлением регулирует энергию, поступающую на исполнительный двигатель (управление активными силами). Привод с пассив­ным управлением предполагает управление силами сопротивления непосредст­венно в кинематической цепи с помощью управляемого тормоза. Пассивное управление позволяет создать натяжение кинематических цепей манипулятора, исключить возникновение автоколебаний, однако требует применения специ­альных двигателей с такими характеристиками источника момента и управляе­мых тормозов, которые обеспечивают надежное кинематическое замыкание механизмов привода в точке позиционирования. С другой стороны, активное управление является традиционным, широко применяется и достаточно под­робно исследовано в теории автоматического управления.

Наличие у ПР периодически повторяемых движений с этапами интен­сивного разгона и торможения обусловливает применение в них ЭП с аккуму­ляторами (рекуператорами) механической энергии, или резонансных приводов. Особенность этих приводов заключается в том, что кинематическая энергия звена ПР на этапе торможения переходит в потенциальную (пружина) или ки­нетическую (маховик) энергию аккумулятора, а на этапе разгона звена ПР про исходит ее обратная передача от аккумулятора к звену. Такие приводы позво­ляют существенно уменьшить потребляемую мощность исполнительных двига­телей и значительно улучшают(С Новым годом!) скоростные и динамические характеристики манипулятора. Однако их использованию в ПР препятствуют такие факторы, как необходимость сохранения точных настроек привода и динамическое взаи­мовлияние степеней подвижности.

О

!

тносительно новым направлением в проектировании ПР является ис­пользование безредукторных ЭП, в которых движение от двигателя к звену ма­нипулятора передается непосредственно или через передаточное устройство, не имеющее редуктора. Такая схема позволяет получить хорошие механические характеристики (малое трение, отсутствие люфта, высокая жесткость) и как результат - возможность высокоточного управления по усилию (моменту), значи­тельное (на порядок) повышение скоростей манипулирования при сохранении высокой точности позиционирования. В то же время безредукторный ЭП усту­пает по массогабаритным показателям традиционным модулям «двигатель - редуктор». Кроме того, предъявляются повышенные требования к равномерно­сти вращения по углу поворота и линейности характеристики «момент - ток управления двигателя», устойчивости сигнала тахогенератора при низких час­тотах вращения, разрешающей способности датчика положения. Безредуктор­ный ЭП в большей степени подвержен воздействиям, вызванным неуравнове­шенными массами звеньев, изменениями инерционной нагрузки в зависимости от конфигурации руки и динамическим взаимовлиянием степеней подвижно­сти.

Конструктивно электропривод IIP может компоноваться с манипуляци­онной системой по двум принципиально разным схемам. Первая, наиболее рас­пространенная, схема - с двигателями, расположенными на подвижных звеньях (последовательный привод). Такая компоновка приводит к увеличению пере­мещаемых масс и габаритных размеров руки (значит необходимы двигатели большей мощности), но обеспечивает удобство управления, поскольку при вы­числении задающих воздействий достаточно знать ее структуру.

Во второй схеме двигатели вынесены на неподвижное основание ПP и связаны со звеньями руки передающими механизмами (параллельный привод), что обусловливает меньшие габаритные размеры и массу руки. Однако при этом образуется механизм со сложной кинематической связью между углами поворота валов двигателей и относительными углами поворота звеньев, что создает трудности при управлении. Кроме того, в длинных кинематических це­пях неизбежны повышенные люфты, а следовательно, снижается точность. Оп­тимальная компоновка заключается в разумном сочетании обеих названных схем.

Самым высоким требованиям удовлетворяет следящая система привода ПР, отрабатывающая заданный угол поворота, с подчиненными контурами регулирования силы тока и частоты вращения. Она реализуется в замкнутом сле­дящем ЭП.

Основу такой системы составляет комплектный электропривод или сер­вопривод, который конструктивно объединяет двигатель, усилитель мощности, датчики и регуляторы скорости и тока. У нас на сегодняшний день электротех­нической промышленностью освоен выпуск следующих серий сервоприводов специально для ПР: ЭШИМ1 (транзисторный широтно-импульсный постоянно­го тока), «Размер 2М-5-6Р» (асинхронный), ЭГ1Б-2 (на базе вентильных или синхронных двигателей) и некоторых других.

Все названные сервоприводы выполнены с использованием аналоговых и цифровых элементов в соответствии с требованиями ГОСТ 26061-85. В этих сервоприводах решены  также проблемы всевозможных защит (времятоковой) и блокировок: от превышения и понижения напряжения сети, пропадания фазы, неисправности вторичного источника питания, несоответствия скорости задан­ной, короткого замыкания, перегрева. Поэтому наиболее простой, с точки зре­ния разработчика следящего привода ПР, порядок проектирования заключается в выборе серийного сервопривода и в самостоятельной разработке контура ре­гулирования положения [10].

Остановим свой выбор на комплектном многокоординатном транзи­сторном электроприводе постоянного тока ЭШИМ1, который состоит из уни­фицированной кассеты, содержащей блок питания (БП) и до трех блоков регу­лирования (БР), двигателей постоянного тока со встроенным тахогенератором (ТГ), блока дросселей (БД), силового трансформатора (Т). Питание осуществ­ляется от трехфазной сети. Каждый БР выполняет широтно-импульсную моду­ляцию (ШИМ) напряжения, подводимого к якорю двигателя, и обеспечивает работу одной координаты ПР. Система регулирования - двухконтурная с ПИ- регулятором скорости и релейным регулятором тока. Основные характеристики БР таких приводов:

• напряжение питания силовой цепи 150...220 В;

• номинальный ток 16,. .40 А;

• диапазон регулирования скорости 10000;

• полоса пропускания не менее 75 Гц.

По числу координат привод комплектуется коллекторными электродви­гателями серий ПЯ, 21ТБВ и ДПУ с возбуждением от постоянных магнитов и встроенным тахогенератором.

Как видим, выбор ЭШИМ1 вполне обоснован, так как диапазон регулирования проектируемого привода не превышает 100 (см. подраздел 4.2), а вы­бранный ЭД принадлежит серии ДПУ (см. подраздел 3.1).