Методическое пособие 722

1.6. Линейный электропривод

Линейный безредукторный привод ещ не получил в робототехнике большого распространения, однако в этом направлении проводятся широкие научные исследования. Основным преимуществом линейного привода является отсутствие кинематических цепей для преобразования вращательного движения в линейное, что существенно упрощает кинематику, повышает надежность, может благоприятно сказаться и на массогабаритных показателях. Кроме того, становится возможным реализация чисто электрического торможения.

Рассмотрим следующие виды линейного привода ПР:

–электромагнитный;

–привод для микроподач;

–асинхронный;

–синхронный;

–шаговый;

–постоянного тока;

–электродинамический.

1. Электромагнитный привод. Электромагниты состоят из катушки с обмоткой, неподвижного ферромагнитного ярма и подвижного якоря, отделенного от ярма рабочим и паразитным зазорами. Различают электромагниты с втягивающимся якорем, с внешним поперечно-движущимся якорем.

Собственное время срабатывания электромагнитов лежит в пределах

0,06÷0,10 с.

Электромагнитные двигатели, разработанные в институте электродинамики Украины, обеспечивают:

тяговое усилие на единицу мощности – 800–2000 Н/кВт; на единицу массы – 20–40 Н/кг;

диапазон скорости по нижнему пределу – не имеет ограничений, по верхнему пределу – до 1 м/с; диапазон тяговых усилий – 5÷5*103 Н; точность позиционирования – 0.2 + 0.5 мм

(при отсутствии ограничений по величине свободного хода).

Привод поворотного движения имеет диапазон развиваемого момента

1÷500 Н*м.

Привод возвратно-поступательного движения имеет: рабочий ход 5÷100 мм.

тяговое усилие 10÷1000 Н.

2. Механизмы микроподач. Для точного позиционирования применяются приводы для микроподач, которые обеспечивают точность позиционирования до десятых долей микрометра. Данное устройство особенно часто применяется в ПР, осуществляющих сборку прецизионных узлов.

30

Рис. 1.24

Рис. 1.25

Рис. 1.26

Рис. 1.27

31

Если требуется обеспечить перемещение на небольшую величину,

всистеме подачи используют упругий стержень 1, который поочередно зажимают специальными зажимами 2 и 3 (рис. 1.24).

При включении зажима 2 стержень один сжимается под действием привода 4, после чего включается зажим 3, а зажим 2 выключается. Стержень восстанавливает свою длину, перемещая ведомое звено 5 на величину, зависящую от длины стержня, сечение и силы, развиваемой приводом.

Втермодинамическом приводе (рис. 1.25) использовано явление теплового расширения стержня 1, связанного с ведомым звеном 2 и неподвижной частью 3. Внутри стержня помещен нагреватель 4, а снаружи холодильник 5.

Здесь возможно перемещение на небольшую величину с большой точностью и ж сткостью. Недостатком является инерционность привода.

Вмагнитострикционном приводе (рис. 1.26) использован эффект изменения длины стержня из ферромагнитного материала под действием магнитного поля. Обычно применяют конструкцию зажимами аналогично вышеописанным. Привод обладает малой инерционностью, большой ж сткостью, стабильностью

вработе.

3. Линейные асинхронные двигатели (ЛАД). ЛАД представляет собой «развернутую» асинхронную машину и состоит из индуктора, возбуждающего в зазоре бегущее магнитное поле, и вторичной части, наведенные токи в которой взаимодействуют с полем индуктора первичной части. В результате образуется механическая сила – тяговое усилие.

Основная волна магнитной индукции бегущего поля описывается уравнением

B x,t B1m cos t x ,

где В – амплитуда первой гармоники поля; ɷ – угловая частота тока в обмотке индуктора; t – время;

– полюсное деление;

х– координата.

Вотличие от вращающего поля бегущее поле совершает поступательное движение синхронной скоростью:

V dxdt / f ,

где f – частота;

λ = 2 – длина волны бегущего поля.

Тяговое усилие ЛАД в направлении оси X в общем случае определяется как объемный интеграл:

F(x) j y b z dV ,

32

где j y – плотность тока в направлении оси Y в теле вторичной части ЛАД

(ось Y лежит в одной плоскости с X и перпендикулярна ей);

b z – индукция в зазоре в направлении оси Z (ось Z перпендикулярна

плоскости X Y);

dV – элемент объема тела вторичной части.

Основное конструктивное отличие ЛАД от обычных АД обусловливают следующие особенности:

1.Разомкнутый магнитопровод первичной части приводит к образованию сплошного спектра гармоник намагничивающей силы.

2.Ограничение продольных и поперечных размеров индуктора и вторичной части приводит к появлению краевых эффектов: концевого (продольного)

ибортового (поперечного).

3.Краевой и бортовой эффекты ухудшают тяговое усилие, коэффициент мощности и КПД.

Несмотря на это, ЛАД является перспективным для устройства передвижения транспортных роботов вследствие надежности, отсутствия кинематических погрешностей.

4.Синхронные линейные двигатели (СЛД). Имеются два основных типа СЛД: со вторичной частью, выполненной в виде шихтованных пакетов (рис. 1.27), расположенных на расстоянии двух полюсных делений друг от друга, и со вторичной частью с обмоткой возбуждения.

СЛД включает в себя: магнитопровод, сердечники с обмоткой (индуктор), вторичную часть, обмотку возбуждения.

Взаимодействие вторичной части СЛД с индуктором, по сравнению

свращающимися машинами, отличается следующим:

1)вторичная часть взаимодействует с индуктором в течение короткого времени;

2)магнитная связь между частями СЛД изменяется во время набегания от нуля до максимума, а во время сбегания – в обратном направлении;

3)индуктивные сопротивления фаз индуктора несимметричны. Основные области применения СЛД в приводе ПР – те же, что и для ЛАД.

5. Линейные шаговые двигатели (ЛШД). ЛШД весьма перспективны для ПР и представляют собой линейный вариант классического шагового двигателя. Разработана конструкция двухкоординатного ЛШД, зазор между вторичной и первичной частями которого обеспечивается с помощью

воздушной подушки. Основные достоинства этого двигателя заключаются

ввысокой точности отработки сигнала по перемещению подвижной части.

6.Линейные двигатели постоянного тока (ЛДПТ). Существуют две большие группы ЛДПТ: с развернутым коллектором представляет собой развернутый вариант обычной машины постоянного тока. Один из таких двигателей показан на рис. 1.28.

33

Неподвижная первичная часть 1 имеет обмотку, секционированную таким образом, что в каждый момент несколько смежных секций замыкаются

спомощью контактных роликов 2 и 3, которые перемещаются одновременно

сподвижной вторичной частью 4. Ролики 2 и 3 во время движения соединяют питающие провода 5 и 6 с соответствующими секциями обмотки индуктора. При подключении индуктора к источнику тока на вторичную часть, находящуюся в поле этой обмотки, действует сила, заставляющая ее перемещаться. В робототехнике такой ЛДПТ может найти применение для таких целей, что и ЛАД и СЛД.

Цилиндрические ЛДПТ не имеют непосредственных предшественников среди вращающихся машин.

Нашли распространение две основные конструкции цилиндрического ЛДПТ: бесколлекторные (рис. 1.29) и коллекторные (рис. 1.30). Оба двигателя имеют стержневой сердечник якоря 1 с обмоткой 2, обмотку возбуждения 3, полюсные сердечники 4, ярмо 5. В первом случае применен броневой магнитопровод, во втором – стержневой. Коллекторный двигатель снабжен щетками 6. Взаимодействие поля индуктора с полем обмотки возбуждения создает тяговую силу, которая в бесколлекторной конструкции действует лишь на расстоянии, равной длине секции обмотки 2.

Вколлекторной машине на внешней поверхности однослойной обмотки 2, намотанной медным эмалированным проводом, удалена изоляция в месте контакта проводников со щ ткой так, что образуется «дорожка» вдоль всего якоря. От источника питания ток в обмотку якоря 2 поступает на «дорожку» через щ тки 6, укрепл нные вместе с магнитопроводом обмотки возбуждения. В этом случае длина якоря, а следовательно, и ход двигателя могут быть неограниченно большими, причем работает только та часть обмотки, которая заключена между щ тками. Указанные двигатели весьма перспективны для привода транспортных степеней подвижности ПР.

Рассмотренная цилиндрическая конструкция в настоящее время применяется и для ЛАД, при одновременном применении так называемой измельченной структуры активного слоя (рис. 1.31), когда элементарным зубцом становится тонкий стальной лист, а элементарным пазом – тонкий слой проводника. Для ЛАД, разработанных в НЭТИ, были получены следующие показатели

(табл. 2):

34

Рис. 1.28

Рис. 1.29

Рис. 1.30

35

Рис. 1.31

Рис. 1.32

Рис. 1.33

36

Впоследнее время разработаны бесколлекторные линейные вентильные двигатели (ЛВД).

Привод обеспечивает перемещения со скоростью 20 м/мин. На станке для сверления печатных плат достигается 600 циклов в минуту. Такой двигатель весьма перспективен для ПР.

7. Линейные электродинамические двигатели (ЛЭД). Известные модели тихоходных линейных электродвигателей постоянного и переменного тока обладают сравнительно низкими массогабаритными показателями: развивают тяговые усилия от 25 Н/кг (при ПВ = 25 %) до 49 Н/кг (при ПВ = 2,5 %). Массогабаритные показатели могут быть существенно повышены путем использования непосредственного электродинамического взаимодействия антипараллельных токов. В состав таких установок входит батарея конденсаторов, разряжающаяся на контур с током. Данные устройства используются в объемной штамповке, при моделировании силовых возмущений в поляризационнооптических измерениях.

Впоследнее время разработаны образцы электродинамического двигателя, являющегося устройством многократного преобразования электрической энергии в механическую при помощи электродинамического взаимодействия параллельных токов.

Силовой элемент такого двигателя образован (рис. 1.32) двумя расположенными рядом и соединенными последовательно гофрированными лентами 1

и2. Два неподвижных участка лент 3 и 4 соединены с источником питания. В корпус 5 помещены ленты 1 и 2 с изоляционными пластинками 6 и вкладыш 7 со штоком 8. Вкладыш притянут пружиной 9.

Запишем уравнение движения двигателя в виде

∑∑

где FjЭ – электродинамическое усилие взаимодействия двух проводников (двух перегибов) гофрированной ленты;

n – число перегибов;

Fy – сила упругости пружины;

–сила внутреннего трения в местах перегиба упругой ленты;

–сила трения в поступательной паре;

–сила статических сопротивлений в механизме;

m – масса движущихся частей; V – скорость перемещения;

t – время.

Определим электродинамическое усилие. Для этого воспользуемся расчетной схемой, показанной на рис. 1.33. Виток (гофр) ленты представлен в виде трех участков: двух параллельных АВ и ЕД и одного образованного проводниками ДС и ВС, расположенными под углом.

37

Расстояние между проводниками равно l, длина каждого проводника ln. Пренебрегая взаимодействием на участке ВСД для случая проводников конеч-

ной длины при , имеем классическую формулу теоретической электротехники

где i – ток в проводнике; = 2l/d – геометрический фактор.

Рассмотрим некоторые результаты исследования экспериментального

ЛЭД.

Техническим заданием было предусмотрено расчетное усилие 0,5 Н при токе 40 А:

максимальное развиваемое усилие – 0,5 Н;

максимальное перемещение подвижного элемента – 0,63 мм;

пределы изменения тока – 10÷50 A;

полная масса двигателя (силового элемента с корпусом и возвратной пружиной) – 7 г;

удельное тяговое усилие на один килограмм массы – 71,4 Н/кг;

питание – сеть 50 Гц;

КПД – 0,25 %;

потребляемая мощность – 20 Вт.

Величина перемещения подвижного элемента может быть существенно увеличена путем использования ленты не с двумя, а с большим числом витков. При этом суммарное перемещение

∑

где Sj – перемещение одной пары взаимодействующих проводников.

Рассматриваемое электродинамическое устройство является тихоходным линейным двигателем ограниченного возвратно-поступательного движения. Сочетание низкого КПД с высоким удельным тяговым усилием позволяет рекомендовать применение данного двигателя в маломощных механизмах с поступательным движением рабочих органов, например, в микроманипуляторах промышленных роботов, предназначенных для электронной промышленности.

Двигатель обладает конструктивной и технологической простотой, в частности, отсутствуют ферромагнитные части, нет надобности в обмоточных роботах. Это повышает надежность привода.

38

1.7. Шаговый электропривод

В общем случае шаговый двигатель (ШД) синхронного типа представляет собой m-фазную машину, обмотки которой возбуждаются ступенчатыми напряжениями (рис. 1.34) [21].

Каждому импульсу соответствует операция переключения фаз ШД, смещающая картину распределения магнитного поля и положение устойчивого равновесия ротора, что приводит к перемещению на один шаг.

Последовательный перебор комбинаций включенных фаз может соответствовать симметричной коммутации (когда в каждой из комбинаций включено одинаковое четное или нечетное число фаз), например, переход от μ1(φ) к μ2(φ),

μ2(φ), μ3(φ) или от μ1(φ) + μ2(φ) к μ1(φ) + μ2(φ) и к μ2(φ) и т.д. (рис. 1.35.).

Вид коммутации фаз ШД характеризуется числом тактов коммутации n, равным числу комбинаций включенных фаз при их последовательном переборе до повторения начальной комбинации, т.е. за цикл коммутации.

Если комбинации в цикле изобразить точками по окружности, то за один цикл можно совершить один оборот (например, при поочередном возбуждении фаз через одну или две). Число таких оборотов соответствует числу заходов коммутации S. Это характерно для ШД с m > 3. В общем случае величина шага (в эл. радианах) определяется как

.

Механический шаг составляет:

–для вращающихся ШД (ВШД);

–для линейных ШД (ЛШД), где p – число пар полюсов

ротора; τ – полюсное (зубцовое) деление.

Устойчивые состояния соответствуют максимуму энергии магнитной системы. При отклонении ротора от устойчивого состояния на него начинают действовать вращающие усилия:

Характеристики этих усилий в общем виде содержат бесконечный спектр гармоник:

( ) ∑ ( )

( ) ∑ ( )

где ν – номер гармоники; у, х – текущие значения координат; ун, хн – начальные фазы ν-той гармоники.

39