14.Мехатронные модули линейного движения
Рассмотренный в 3.2 мехатронный подход к построению модулей вращательного движения на базе высокомоментных двигателей получил в последние годы свое развитие и в модулях линейного перемещения. Цель проектирования аналогична - исключить механическую передачу из состава ММД.
Мехатронные модули движения на основе линейных высокомоментных двигателей (ЛВМД) находят все большее применение в гексаподах (см.гл.4), высокоскоростных станках (многоцелевых, фрезерных, шлифовальных), комплексах для лазерной и водоструйной резки, вспомогательном оборудовании (крестовых столах, транспортерах)
Традиционные электроприводы линейных перемещений включают в себя двигатель вращательного движения и механическую передачу для преобразования вращения в поступательное движение (шарико-винтовую передачу (ГТТВП), зубчатую рейку, ленточную передачу и т.п.). С начала 80-х годов известны разработки собственно линейных двигателей, однако из-за низких удельных силовых показателей они имели ограниченную область применения (графопостроители, координатно-измерительные машины) и в автоматизированном оборудовании не могли быть использованы.
Основные преимущества модулей на базе ЛВМД по сравнению с традиционными линейными приводами:
- повышение в несколько раз максимальной скорости движения (до 150-210 м/мин) и ускорения
- высокая точность реализации движения; ,
15. Мехатронные модули типа "двигатель - рабочий орган"
Важным этапом развития мехатронных модулей движения стали разработки модулей типа "двигатель-рабочий орган". Такие конструктивные модули имеют особое значение для технологических мехатронных систем, целью движения которых является реализация целенаправленного воздействия рабочего органа на объект работ. .
В станках с относительно небольшим крутящим моментом (токарных малых размеров, консольно-фрезерных, высокоскоростных фрезерных станках) применяются так называемые "моторы-шпиндели". Отличительной конструктивной особенностью этих электромеханических узлов приводов главного движения является монтаж шпинделя непосредственно на роторе двигателя.
На рис.3.5 приведена конструкция модуля "мотор-шпиндель" фирмы "Рапис", имеющего следующие основные технические характеристики: габариты -784x338x430 мм, мощность - 5.5 кВт, номинальная скорость - 750 об/мин, максимальная скорость- 4500 об/мин, номинальный момент - 70 Нм. Использование в шпиндельных узлах механических подшипников определило их ограниченные функциональные возможности, в первую очередь при высоких скоростях вращения: недостаточный ресурс работы, необходимость смазки пар трения, проблему герметизации.
Рис. 3.5. Мехатронный модуль мотор-шпиндель: 1 - шпиндель, 2 - статор, 3 - вентилятор.
16. Шариковая винтовая передача (ШВП) — наиболее распространенная разновидность передачи винт-гайка качения (винтовая пара с промежуточными телами качения: шариками или роликами).
Функционально ШВП служит для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное (и наоборот).
ШВП обладает всеми основными техническими преимуществами передачи винт-гайка скольжения, и при этом не имеет ее главных недостатков, таких как низкий КПД, повышенные потери на трение, быстрый износ.
Конструктивно ШВП состоит из винта и гайки с винтовыми канавками криволинейного профиля. Канавки служат дорожками качения для размещенных между витками винта и гайки шариков. Перемещение шариков происходит по замкнутой траектории — при вращении винта шарики вовлекаются в движение по винтовым канавкам, поступательно перемещают гайку и через перепускной канал (канал возврата) возвращаются в исходное положение. Каналы возврата выполняются в специальных вкладышах, которые вставляются в соответствующее окно гайки, по числу рабочих витков.
При работе передачи шарики, пройдя по винтовой канавке на винте свой виток, выкатываются из резьбы в перепускной канал вкладыша, переваливают через выступ резьбы и возвращаются в исходное положение на тот же или на соседний (в зависимости от конструкции) виток. Для передач с многозаходной резьбой применяется особый тип исполнения гайки.
Число рабочих витков в ШВП обычно составляет от 1 до 6. Большее число витков применяется только в сильно нагруженных передачах, например, тяжелых станках.
Основные достоинства ШВП:
• малые потери на трение;
• высокая нагрузочная способность при малых габаритах;
• размерное поступательное перемещение с высокой точностью;
• высокое быстродействие;
• плавный и бесшумный ход.
К недостаткам ШВП можно отнести:
• сложность конструкции гайки;
• ограничение по длине винта (из-за накапливаемой погрешности);
• ограничение по скорости вращения винта (из-за вибрации);
• высокую стоимость (исполнения с шлифованным винтом).
В зависимости от назначения и условий работы ШВП подразделяются на передачи с зазором и передачи с натягом.
Шариковинтовые передачи применяют в механизмах точных перемещений, в следящих системах и в ответственных силовых передачах (станкостроение, робототехника, авиационная и космическая техника, атомная энергетика и др.). При вращении винта шарики вовлекаются в движение по винтовым канавкам, поступательно перемещают гайку и через перепускной канал возвращаются обратно. Перепускной канал выполняют между соседними или между первым и последним витками гайки. Таким образом, перемещение шариков происходит по замкнутой внутри гайки траектории.
Шариковинтовые передачи выполняют с одной или чаще с двумя гайками, установленными в одном корпусе. В конструкциях с двумя гайками наиболее просто исключить осевой зазор в сопряжении винт-гайка и тем самым повысить осевую жесткость передачи и точность перемещения. Устраняют осевой зазор и создают предварительный натяг путем относительного осевого (например, с помощью прокладок) или углового смещения двух гаек.
По конструкции винт представляет собой цилиндрический стержень цельной или сборной конструкции с резьбой. Резьба образуется путем нанесения на цилиндрический стержень винтовых канавок с сечением определенного профиля. По форме профиля резьбы делят на треугольные, прямоугольные, трапецеидальные, упорные, круглые.
17. Роликовинтовая передача (РВП) – oдин из самых мощных и грузоподъемных линейных механических приводов. Кoнструктивнo ролико-винтовая пара состоит из винта и гайки, внутри которой по окружности расположены ролики, параллельные винту. Нагрузка передается от гайки к винту через все ролики одновременно. Большая площадь контакта резьбы винта, роликов и внутренней поверхности гайки способствует увеличению грузоподъемности и долговечности всей системы. Подшипниковая сталь этих поверхностей подвергнута термической и механической обработке для обеспечения оптимальной геометрии, высокого качества и надежности.
Изобретение относится к области механических передач, содержащих, главным образом, винтовые механизмы с роликами, детали, необходимые для применения этих элементов и преобразующие вращательное движение одних звеньев в поступательное движение других.
Если в механизме заменить шарики роликами, то это увеличит его нагрузочную способность и жёсткость. КПД при этом снижается лишь на 10... 15 %, а иногда и менее.
Кинематика таких передач однозначно определяется параметром винта p=P/2π и частотой вращения.
18. Волнова́я передача — механическая передача, передающая движение за счет циклического возбуждения волн деформации в гибком элементе. Передача движения может производиться посредством зубьев, винтового принципа, а также фрикционного контакта. Изобретена в 1959 году американским инженером У. Массером.
Состоит из жесткого неподвижного элемента — зубчатого колеса с внутренними зубьями, неподвижного относительно корпуса передачи; гибкого элемента — тонкостенного упругого зубчатого колеса с наружными зубьями, соединенного с выходным валом; генератора волн — кулачка, эксцентрика или другого механизма, растягивающего гибкий элемент до образования в двух (или более) точках пар зацепления с неподвижным элементом. Число зубьев гибкого колеса несколько меньше числа зубьев неподвижного элемента. Число волн деформации равно числу выступов на генераторе. В вершинах волн зубья гибкого колеса полностью входят в зацепление с зубьями жёсткого, а во впадинах волн — полностью выходят из зацепления. Линейная скорость волн деформации соответствует скорости вершин выступов на генераторе, то есть в гибком элементе существуют бегущие волны с известной линейной скоростью. Разница чисел зубьев жёсткого и гибкого колёс обычно равна (реже кратна) числу волн деформации.
В волновой передаче преобразование движения осуществляется за счет деформирования зубчатого венца гибкого колеса. При вращении водила волна деформации бежит по окружности гибкого зубчатого венца; при этом венец обкатывается в обратном направлении по неподвижному жесткому колесу, вращая стакан и вал. Поэтому передача называется волновой, а водило — волновым генератором.
Достоинства волновых передач.
1. Способность передавать большие нагрузки при малых габаритах, так как в зацеплении одновременно находится до 1/3 всех зубьев.
2. Возможность передачи движения в герметизированное пространство без применения уплотнений.
3. Большое передаточное число при малых габаритах и сравнительно высоком к.п.д. Для одной ступени umax≤ 315 при к.п.д. η = 0,8...0,9.
4. Работа с меньшим шумом и высокой демпфирующей способностью.
Недостатки.
1. Сложность изготовления гибкого колеса и генератора.
2. Ограничение угловой скорости вала генератора при больших диаметрах колес (во избежание больших окружных скоростей в ободе генератора).
Применение. Волновые передачи применяют в промышленных роботах и манипуляторах, в механизмах с большим передаточным числом, а также в устройствах с повышенными требованиями к кинематической точности и герметичности.