Тема 2.1 Виконавчі мехатронні модулі руху
2.1.1 Мехатронні модулі руху
Створення мехатронных модулів руху з високими характеристиками є одним з найважливіших завдань автоматизованого машинобудування. З таких модулів, як з функціональних блоків, можна створити складні мехатронные системи.
Слідуючи, введемо основні визначення і поняття.
Модуль руху(МД) - конструктивно і функціональний самостійний виріб, що включає механічну(гідравлічну, пневматичну) і електротехнічну частині, яке можна використати індивідуально і в різних комбінаціях з іншими модулями.
Головною відмітною ознакою МД від загальнопромислового приводу є використання валу двигуна як один з елементів механічного перетворювача руху. Прикладами МД є моторредукторы, мотор-колесо, мотор-барабан, електрошпиндель.
Мехатронный модуль руху(ММД) - конструктивно і функціональний самостійний виріб, що включає механічну(гідравлічну, пневматичну), електротехнічну, електронну і інформаційну частині, яке можна використати індивідуально і в різних комбінаціях з іншими модулями.
На відміну від модулів руху(МД) в мехатронных модулях руху(ММД) з'явилися електронні і інформаційні пристрої.
Інтелектуальний мехатронный модуль(ИММ) - конструктивно і функціональний самостійний виріб з синергетичною інтеграцією механічною(гідравлічною, пневматичною), електротехнічною і комп'ютерною(мікропроцесорною) частин, яке можна використати індивідуально і в різних комбінаціях з іншими модулями.
Таким чином, в порівнянні з ММД, в конструкцію ИММ додатково включені мікропроцесорні обчислювальні пристрої і силові електронні перетворювачі, а також елементи, що забезпечують інтелектуальне управління з мірою інтелектуальності, принаймні, в малому(див. нижче розділ 3.3.2).
Електромеханічні модулі руху
У 1927 р. фірмою «Бауэр» була розроблена принципово нова конструкція - мотор-редуктор, що об'єднала в один компактний конструкційний модуль електродвигун і механічний перетворювач руху(редуктор) і що отримала нині широке поширення. Відтоді з'явилася величезна гамма різних моторредукторов для різних умов застосування, які дозволяють знайти оптимальне рішення у кожному конкретному випадку.
Конструктивне об'єднання електродвигуна і перетворювача руху в єдиний компактний електропривод - мотор-редуктор - має ряд переваг в порівнянні із застарілою системою з'єднання електродвигуна і перетворювача руху через муфту. Це і значне скорочення габаритних розмірів, істотне зменшення кількості приєднувальних деталей, і витрат на установку, відладку і запуск.
Таким чином, мотор-редуктор є нині одним з найбільш поширених видів електроприводу. У всьому світі випускають щорічно мільйони штук мотор-редукторов різних типів і виконань, що дозволяє задовольнити усі мислимі потреби клієнтів.
Рис. 2.1. Циліндричний мотор-редуктор
Мотор-редуктор (Рис. 2.1) складається з двох основних елементів: електродвигуна 1 і перетворювача руху(редуктора) 2, що має стикувальну поверхню 3 з отворами для кріплення до неї електродвигуна гвинтами і болтами 4. При об'єднанні електродвигуна і редуктора в єдиний конструктивний модуль вал 5 електродвигуна вставляють у вхідний порожнистий вал 6 редуктора і закріплюють шпонкою 7.
У мотор-редукторах в якості електродвигунів найчастіше використовують асинхронні двигуни з короткозамкнутим ротором і регульованим перетворювачем частоти обертання валу, однофазні двигуни і двигуни постійного струму, а також крокові двигуни. Як механічні перетворювачі руху використовують зубчасті циліндричні і конічні черв'ячні, планетарні, хвилеві, гвинтові, прецизійні шарико - і роликовинтовые передачі з короткими і довгими різьбовими роликами.
Як приклад розглянемо ще одну конструкцію мотор-редуктора(з циклоїдним редуктором). На Рис. 2.2 показаний загальний вигляд мотор-редуктора МРВА, який є планетарним редуктором спеціальної конструкції з циклоїдним цівковим зачепленням зі вбудованим в корпус редуктора електродвигуном(виробництво ЗАТ «БЕЛРОБОТ»).
Рис. 2.2. Загальний вигляд мотор-редуктора з циклоїдним редуктором
На Рис. 2.2 (а, би, в) показана конструкція циклоїдного редуктора.
Циклоїдний редуктор - це планетарний редуктор з циклоїдним цівковим зачепленням; складається з наступних частин:
1 – вхідний вал з ексцентриком і роликами;
2 – два сателіти з циклоїдним профілем зубів;
3 – обойма(цівкове колесо) з осями і втулками;
4 – вихідний вал(водило) з пальцями і втулками;
5 – корпус редуктора.
Два сателіти з циклоїдним профілем встановлені на вхідному валу оппозитно(сателіти розгорнуті на 180° один відносно одного і їх ексцентриситети діаметрально протилежні). Це забезпечує повне урівноваження динамічних навантажень і запобігає виникненню зусиль, що вигинають.
а) |
в) |
б) |
|
Рис. 2.3 - Циклоїдний редуктор
З метою отримання максимального передатного відношення при мінімальних розмірах редуктора сателіт виконується з числом зубів на одиницю меншим, ніж число осей цівкового колеса. В цьому випадку передатне число ступеня дорівнює числу зубів сателіта.
При обертанні вхідного валу(поз. 1) рух через ексцентрик з двома зміщеними в протилежні сторони від осі валу роликовими підшипниками передається на сателіти(поз. 2). Сателіти, обкатуючись по цевках обойми(поз. 3), здійснюють планетарний рух навколо осі вхідного валу. При цьому повний оберт вхідного валу(ексцентрика) призводить до повороту сателіта відносно валу на один зуб убік, протилежну до обертання вхідного валу. Зворотне обертання сателіта передається пальцям вихідного валу(поз. 4), вставленим в отвори сателітів. Для зменшення тертя на пальці вихідного валу надіті втулки. Підшипники вихідного валу встановлені в корпусі(поз. 5).
Для отримання значних (більше 119) передатних чисел послідовно з'єднуються два або три одноступінчаті редуктори - вихідний вал попереднього ступеня стає вхідним валом подальшої. Загальне передатне число багатоступінчастого редуктора дорівнює твору передатних чисел східців, що входять в нього.
Відмітні особливості циклоїдного редуктора :
Ефективна передача потужності. Відсутність в зачепленні тертя ковзання забезпечує коефіцієнт корисної дії одноступінчатого редуктора до 92,5 % і до 85 % - для двоступінчатого редуктора.
Широкий діапазон перетворення частоти обертання і компактність.
Передатне відношення зачеплення дорівнює кількості зубів сателіта і складає:
– для одноступінчатого редуктора МР - від 9 до 119;
– для двоступінчатого редуктора - від 143 до 12257.
Питома матеріаломісткість редуктора 0,03-0,08 кг/Нм.
Висока здатність навантаження. У планетарному редукторі з циклоїдним цівковим зачепленням у контакті з втулками цевок є 2/3 числа зубів сателіта, що дозволяє без поломок тривалий час витримувати великі ударні і пікові навантаження. Витримує 5-кратні пікові перевантаження.
Надійність. Принцип роботи зачеплення і відпрацьована технологія виготовлення гарантують 20000 годин безперервної роботи редуктора при постійному навантаженні з вірогідністю безвідмовної роботи 90 %. При однозмінній роботі з постійним навантаженням розрахункова довговічність - 15 років.
Мала інерційність. Усі деталі редуктора - тіла обертання і розташовані симетрично відносно загальній осі редуктора. Два сателіти розташовані оппозитно, що повністю урівноважує інерційні навантаження. Високе передатне число редуктора забезпечує низький приведений момент інерції усього приводу.
Низький рівень шуму. Многопарность зачеплення забезпечує плавність ходу, відсутність вібрацій і рівень шуму в межах 62.70 дБ.
В якості двигуна в модулях руху разом з електричними двигунами використовуються також пневматичні, гідравлічні, п'єзоелектричні, біонічні(типу «штучний м'яз»), гібридні та ін. двигуни.
Сукупність пневмо- або гідромашин(компресорів і насосів, пневмо- і гідродвигунів), пневмо- або гідроапаратів і допоміжних пристроїв, призначена для передачі енергії і перетворення руху за допомогою стислого повітря або рідини, називається відповідно пневмо- або гідроприводом.
Пневмо- або гідроапаратами називаються пристрої для управління потоками стислого повітря або рідини.
Основні апарати: дроселі і клапани, призначені для управління витратою і тиском в потоці стислого повітря або рідини; розподільники, призначені для зміни напряму потоку стислого повітря або рідини.
За характером рухи вихідної ланки приводи діляться на три класи: поступальної, поворотної і обертальної ходи. Відповідно до цього як двигуни використовуються циліндри(пневматичні і гідравлічні), поворотні двигуни(пневматичні і гідравлічні) і мотори(пневматичні і гідравлічні).
Пневматичні модулі руху
У пневмопривод з однією мірою рухливості входять двигун, розподільний пристрій і регулятор швидкості. Двигун може бути поступальної ходи - пневмоцилиндр і поворотний.
Пневмоцилиндр складається з гільзи, виконаної з прецизійної труби, зазвичай з фторопластовою накладкою усередині, поршня з ущільненням, яке має мале тертя по фторопласту, і штока. До пневмоцилиндру часто прибудовано гальмо, що включається у кінці ходу поршня. Поршень з штоком, який приєднаний до навантаження двигуна, рухається під дією стислого повітря, що подається в порожнину циліндра з одного боку поршня. Порожнина, розташована з іншого боку поршня, з'єднується при цьому з атмосферою для випуску повітря, що стискається поршнем, що рухається. Напрям руху поршня з штоком залежить від того, з якого боку від поршня подається стисле повітря.
Поворотні пневматичні двигуни, вживані в роботах, мають обмежений кут повороту(неполноповоротные двигуни). Їх рухлива частина є лопаттю, укріпленою на вихідному валу і розташованою в кільцеподібному корпусі. Усередині корпусу є перегородка, з двох сторін якої виходять порожнини для повітря, розділені рухливою лопаттю.
Розподільне облаштування пневмопривода служить для управління поданням повітря в двигун. Виконують його із золотників або клапанів зазвичай з електромагнітним приводом, сигнали, що управляють, на які поступають від облаштування управління робота.
Регулятор швидкості підтримує задану швидкість руху приводу шляхом стабілізації витрати повітря, що подається в двигун(наприклад, за допомогою дроселя із зворотним клапаном).
Пневматичні двигуни працюють на стислому повітрі тиском 0,3-0,6 МПа. Стисле повітря поступає на приводи від загального блоку живлення, який складається з апаратури підготовки повітря і редуктора. Підготовка повітря полягає в його очищенні від вологи і механічних домішок і внесення розпорошеної олії для мастила поверхонь, що труться, в двигуні.
Редуктор забезпечує підтримку певного тиску повітря на вході приводу. Стисле повітря подається від компресора.