Исполнительный привод. учебное пособие. Литвиненко А.М

А. М. Литвиненко

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ПРИВОД

Учебное пособие

Воронеж 2020

УДК 681.575(075.8) ББК 32.816я7

Л641

Рецензенты:

кафедра вычислительной техники и информационных систем ВГЛТУ им. Г. Ф. Морозова (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В. К. Зольников); ген. директор НПФ «Мехпресс» (г. Воронеж), д-р техн. наук В. А. Крук

Литвиненко, А. М.

Исполнительный привод: учеб. пособие / А. М. Литвиненко; ФГБОУ Л641 ВО «Воронежский государственный технический университет». –

2-е изд., перераб. и доп. – Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2020. – 124 с.

ISBN 978-5-7731-0844-3

В учебном пособии рассмотрены общие требования к электроприводам роботов, а также электромеханические свойства электродвигателей, вопросы выбора двигателя и передаточного числа редуктора, включая различные теории нагрева (тепловые модели). Уделено внимание электроприводам постоянного

ипеременного тока, линейным и шаговым. Приведены основные сведения по гидравлике, гидравлическим и пневматическим приводам роботов. Также рассмотрены некоторые разработки в области электропривода роботов, включая приводы с внешними магнитными системами и орбитальные.

Издание предназначено для студентов направлений подготовки 27.03.04 «Управление в технических системах» (профиль «Управление и информатика в технических системах»), 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» (профиль «Электропривод и автоматика»), 27.04.04 «Управление в технических системах» (программа магистерской подготовки «Теория систем управления»)

и13.04.02 (программы магистерской подготовки «Управление распределенными объектами регионального электроснабжения», «Электроприводы и системы управления электроприводов», «Электроэнергетические системы»).

Ил. 125. Табл. 4. Библиогр.: 24 назв.

УДК 681.575(075.8) ББК 32.816я7

Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее учебное пособие разработано для студентов направлений подготовки 27.03.04 «Управление в технических системах» (профиль «Управление и информатика в технических системах»), 13.03.02 «Электроэнергетика

иэлектротехника» (профиль «Электропривод и автоматика»), 27.04.04 «Управление в технических системах» (программа магистерской подготовки «Теория систем управления») и 13.04.02 (программы магистерской подготовки «Управление распределенными объектами регионального электроснабжения», «Электроприводы и системы управления электроприводов», «Электроэнергетические системы»).

Учебным планом в той или иной мере предусмотрено изучение основ робототехники при изучении курсов: «Электромеханические системы», «Исполнительные системы в ГАП», «Защита интеллектуальной собственности», «История и современные проблемы теории управления». В ВГТУ данная тема является одной из основных в рабочих программах. Между тем данный материал излишне детализирован в соответствующих пособиях для робототехнических специальностей, кроме того, наблюдается параллелизм при изучении, например, устройств управления в курсах «Основы робототехники»

и«Микропроцессорные системы».

Вданном пособии в концентрированном виде приведены основные сведения об электроприводе роботов, в том числе линейном и шаговом, гидро-

ипневмоприводе, орбитальном электроприводе, о роботах с рекуперацией энергии.

Настоящее издание является частью учебно-методического комплекса по вышеуказанным дисциплинам и является дополненным и переработанным вариантом учебного пособия «Исполнительный привод», выпущенного в рамках серии «Исполнительные системы роботов» (Литвиненко А. М. Исполнительный привод: учеб. пособие / А. М. Литвиненко; Воронеж. гос. техн. ун-т. –

из других источников литературы в качестве цитирования.

3

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ДВИГАТЕЛЯМ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ

Совокупность требований к приводу ПР определяется составом и характером манипуляционных операций, а также конструктивно-технологической спецификой ПР.

Количественно манипуляционные движения (привед нные к вращательным) большинства современных ПР при мощности привода 10÷5000 Вт ограничены предельным перемещением выходного звена 2 , максимальной

скоростью выходного перемещения 2 , временем переходных процессов при позиционировании tn , ускорением выходного звена 2 , допустимой ошибкой при позиционировании 2 :

2 (45 330 ); 2 (180 360 ), 1/с; tn (0,1 1)c; 2 (1800 3600 ), 1/с2;2 (0,01 0,05 ).

Диапазон регулирования скорости в транспортно-ориентирующих ПР, как правило, не превышает 500. В сварочных ПР и других роботах с контурным управлением к точности траектории движения и его темпу предъявляются более высокие требования, появляется необходимость в точном задании скорости и повышении диапазона регулирования.

Специфика функционирования привода в роботах при традиционно высоких требованиях к его энергетике и ресурсу определяется следующими факторами:

–необходимостью реализации монотонных (без заметного перерегулирования) перемещений рабочего органа ПР;

–переменным характером статических нагрузок (М2) из-за разнообразия объектов и траекторий манипулирования, а также за сч т неуравновешенности механических систем;

–существенной переменой механической нагрузки, меняющимся динамическим моментом привода в 5–10 раз из-за переменной кинематики подвижных звеньев робота и присоединения дополнительных масс;

–наличием в конструкции ПР кинематический цепей с переменной механической упругостью, возбуждающей дополнительную колебательность движений выходного звена. Для монотонности движения и повышения точности позиционирования необходима компенсация упругих возмущений;

–особенностями компоновки силовых элементов в приводах в конструкции робота, диктующей чрезвычайно жесткие требования к их малогабаритным показателям, особенно при встраивании этих элементов в сочленение кинематических звеньев ПР. Для элементов электропривода (двигатель-редуктор) требование минимизаций их собственной массы является решающим.

4

Важное значение для правильного выбора типа привода и его компонентов имеет характер графики перемещения. Исследования характера перемещений звеньев ПР показывают, что типовым графиком движения ПР является трапецеидальный с участками разгона и торможения, суммарно не превышающими 10-20 % всего пути. Длительность переходных процессов определяется в 20-30 % времени цикла.

Таким образом, условия синтеза привода ПР сводятся к тому, чтобы обеспечить рациональные параметры системы редуктор – двигатель – регулятор, позволяющей реализовывать при заданных грузоподъ мности и пределах изменения статической и динамической нагрузок необходимые параметры манипуляционных движений с апериодическим позиционированием независимо от упругости кинематических звеньев и при наименьшей собственной массе.

Выбор типа привода не является однозначной задачей, поскольку каждый из них имеет свои достоинства и недостатки (табл. 1).

Однако проводимые в последние годы интенсивные работы по уменьшению массогабаритных показателей электропривода значительно расширяют сферу его применения в робототехнике.

Кроме того, важным достоинством электропривода является его хорошая совместимость с ЭВМ, которая может быть увеличена при программной реализации алгоритмов цифрового электропривода, обеспечивающей изменение структуры и параметров регуляторов привода пут м изменения управляющих программ. Расширение производства автоматизированных электроприводов, переход на их комплектную поставку повышают конкурентоспособность машиностроительной промышленности.

5

Окончание табл. 1

6

1.ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ РОБОТОВ

1.1.Электромеханические свойства электрических двигателей

Основой электропривода являются электрические, электромеханические и механические преобразователи. При этом электродвигатель является электромеханическим преобразователем, имеющим две стороны: электрическую и механическую (рис. 1.1), характеризующиеся напряжением U , током I ,

моментом Mc и угловой скоростью . Рассмотрим основные уравнения такого

преобразователя, представленного в виде четыр хполюсника. При этом напряжение на якоре представляется в виде суммы падения напряжения на обмотке якоря и противо-ЭДС, зависящей от скорости. Момент сопротивления, направленный против скорости вала, уравновешивается моментом двигателя и динамическим моментом, зависящим от скорости. Система уравнений имеет вид (для двигателя постоянного тока)

U(p) Zя(p) i(p) C (p);

Мс(p) C i(p) Zm(p) (p),

где Zя(p) Rя Lя , p – операторное выражение электрического сопротивления;

Таким образом, скорость двигателя выражают алгебраической суммой двух произведений: передаточной функции по управляющему воздействию на операторное выражение для напряжения и передаточной функции по возмущению на операторное выражение для момента нагрузки.

Передаточной функции по управляющему воздействию можно придать каноническую форму передаточной функции типового звена второго порядка и рассмотреть характер протекания переходного процесса. Соответствующие характеристики рассмотрены в курсе ТАУ. Структурная схема электромеханического преобразователя приведена на рис. 1.2.

7

В статическом режиме важное значение имеет механическая характеристика двигателя – статическая зависимость между моментом и скоростью, которую можно получить из выражения для скорости, приравнивая p 0:

С1 U СRя2 М .

При этом скорость холостого хода

0 U /C при M 0.

Ж сткость механической характеристики – производная М( ) по :

dM( )/d C2 / Rя .

Тогда выражение для механической характеристики имеет вид

0 1 М ,

или, переписав относительно момента,

M ( 0 ).

Эти зависимости справедливы для неизменного магнитного потока двигателя, при его изменении следует учитывать, что

С k Ф,

где k const, Ф – магнитный поток и соответственно

k Ф 2 / Rя .

Механическую характеристику при номинальном значении сопротивления якоря и напряжении называют естественной, она показана на рис. 1.3 жирной линией. Любую другую характеристику называют искусственной, однако возможно получение как минимум тр х семейств искусственных характеристик (рис. 1.3):

1.При уменьшении магнитного потока от номинального. При этом скорость холостого хода увеличивается, а ж сткость уменьшается, что приводит к увеличению наклона характеристик.

2.При уменьшении напряжения, подвед нного к якорю. Скорость холостого хода также уменьшается, но при неизменной жесткости. Искусственные характеристики параллельны естественной.

3.При увеличении сопротивления якоря (вводе дополнительных резисторов). Скорость холостого хода оста тся постоянной, а ж сткость уменьшается пропорционально введ нному сопротивлению.

8

Рис. 1.1

Рис. 1.2

Рис. 1.3

9