Конспект лекций по КМР
.pdf8.2. Гидравлический привод
Гидравлический привод степени подвижности состоит из тех же основных частей, что и пневматический привод: движетеля (исполнительного механизма) (гидроцилиндры, поршневые и пластинчатые поворотные гидродвигатели, гидромоторы), распределительного устройства (золотники и клапаны) и регулятора скорости (дросселя).
Вотличие от пневмопривода для гидропривода предусмотрен свой блок питания, входящий в состав робота. Он состоит из гидронасоса, фильтра, регулятора давления, устройства охлаждения (обычно водяного) и масляного аккумулятора с запасом масла.
Вгидроприводе в качестве рабочей жидкости используют ми-
неральные масла кинематической вязкости 12...40 мм2/с при температуре 0...60 C и класса чистоты не грубее 14-го по ГОСТ 1721671, под давлением до 20 МПа.
Гидравлический привод обладает высокой энергоемкостью, быстродействием, малой инерционностью, относительно высокой жесткостью статических нагрузочных характеристик (благодаря малой сжимаемости рабочей жидкости), простотой конструкции, надежностью, возможностью реализовать практически любые законы разгона и торможения, автоматическим управлением и регулированием скорости исполнительных механизмов.
К недостаткам гидропривода относят: возможность утечек в трубопроводах, что приводит к колебаниям давления, изменение вязкости масла при изменении температуры, что требует введения устройств охлаждения рабочей жидкости, необходимость в отдельном источнике питания.
Гидравлический привод рекомендуют применять в роботах грузоподъемностью свыше 10 кг, от которых требуется стабильность скорости при изменяющейся нагрузке и высокая точность позиционирования.
8.3. Электрический привод
Электрический привод робота состоит из электродвигателя, механического преобразователя, включающего в себя преобразователи движения (передачи), механизмы выборки мертвого хода, тормозные устройства, направляющие, информационных устройств, муфт и устройства управления.
180
Электродвигатель – электротехнический преобразователь электрической энергии в механическую.
В электрических приводах роботов применяют электродвигатели постоянного тока, синхронные, асинхронные, шаговые. В основном применяют двигатели постоянного тока.
Механический преобразователь – устройство, преобразующее параметры движения электродвигателя в требуемые параметры движения выходного звена привода.
Преобразователь движения (передача) – механизм, предназна-
ченный для преобразования одного вида движения в другое, согласования скоростей и вращающих моментов электродвигателя и выходного звена привода.
Механизм выборки мертвого хода (люфтовыбирающий механизм)
– устройство, предназначенное для выборки зазора (люфта) в некоторых видах преобразователей движения.
Тормозное устройство – устройство, предназначенное для уменьшения скорости, останова и удержания в заданном положении выходного звена привода.
Направляющие – устройства, обеспечивающие заданное относительное движение элементов привода.
Информационное устройство – устройство, преобразующее контролируемую величину в сигнал, удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации, а также для воздействия им на управляемые процессы. В частности, датчики информации (датчики перемещения и скорости) предназначены для определения перемещения и скорости выходного звена привода.
Муфта – устройство для соединения вала двигателя с преобразователем движения, а также для защиты двигателя от перегрузок.
Устройство управления – устройство для формирования и выдачи управляющих воздействий электродвигателю в соответствии с управляющей программой.
Для электрического привода характерны простота регулировки, бесшумность, отсутствие трубопроводов, простота монтажа и наладки, надежность.
Основным недостатком электропривода является низкий показатель удельной мощности (отношение мощности электродвигателя к его массе), так как электродвигатели велики по размерам и массе.
Электропривод выбирают с учетом динамических свойств при пуске, торможении и изменении нагрузки; диапазона регулирования скорости; вида механической характеристики режима работы
181
во времени и точности поддержания заданного режима; частоты включения приводного механизма.
8.4. Комбинированный привод
Стремление максимально использовать достоинства отдельных типов приводов привело к разработке и применению в роботах комбинированных приводов.
Если в качестве исполнительного двигателя используют гидродвигатель, а пневмосистему применяют для создания необходимого давления, что позволяет отказаться от гидронасосной станции, то привод называют гидропневматическим (рис. 8.1). Давление воздуха используют в качестве источника энергии, а гидропривод обеспечивает необходимое усилие на исполнительном звене. Такие приводы применены на вертикальных степенях подвижности промышленных роботов «Аутохенд», ПР-10, «Циклон-3Б».
В гидропневматическом приводе (рис 8.1) при подаче воздуха под давлением Р в поршневую полость пневмоцилиндра 1 создается давление Р2 в поршневой полости промежуточного гидроцилиндра 2, которое передается в исполнительный гидроцилиндр 3, обеспечивающий соответствующее движение исполнительного устройства ПР. При движении поршня пневмоци-
Рис. 8.1 линдра 1 в обратном направлении жидкость из штоковой полости гидроцилиндра 2 поступает в штоковую полость гидроцилиндра 3, вызывая
обратный ход. Емкость 4 служит для компенсации разности объема штоковой и поршневой полостей цилиндра 2, а также утечки жидкости.
Давление жидкости в поршневых полостях гидроцилиндров 2 и 3 при прямом ходе:
|
|
D |
2 |
|
P |
P |
|
K P. |
|
1 |
||||
2 |
|
D |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
Усилие на штоке исполнительного гидроцилиндра 3:
F P |
D2 |
D2 |
|
3 K P |
3 , |
||
3 |
2 |
4 |
4 |
|
|
||
182
где Р – давление в поршневой полости пневмоцилиндра 1; D1, D2, D3 – диаметры поршней пневмоцилиндра 1, гидроцилиндров 2 и 3
|
K |
D |
2 |
|
соответственно; |
2 |
– коэффициент усиления. Обычно |
||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
D |
|
|
|
|
2 |
|
принимают К=2...3.
Если в качестве исполнительного двигателя используют пневмоцилиндр, а гидроцилиндр обеспечивает коррекцию скорости выходного звена, то привод называют пневмогидравлическим. На рис.8.2 показана схема комбинированного пневмогидравлического привода.
Воздух поступая под давлением из магистрали через пневмораспределитель 7 в поршневую полость пневмоцилиндра 1 перемещает поршень со штоком, скорость которого определяется настройкой гидродросселей 3. При этом гидрораспределитель 5 соединяет обе полости гидроцилиндра 2. Обратные клапаны 4 обеспечивают свободный доступ жидкости в заполненную полость гидроцилиндра 2. Для компенсации разности объемов
штоковой и поршневой полостей гидроцилиндра и пополнения утечек масла в схеме предусмотрен масляный аккумулятор 6.
Применяют также комбинированные гидроэлектрические приводы, в которых последовательно соединены маломощный электрический и выходной гидравлический приводы. Электропривод преобразует входной электрический сигнал в перемещение, которое служит входным воздействием для гидроусилителя гидропривода.
Существуют аналогичные комбинированные пневмоэлектрические приводы, в которых вместо выходного гидропривода применен пневмопривод.
8.5. Кинематические характеристики привода
При проектировании исполнительных устройств изменения скорости (линейной víîì или угловой w
большинстве случаев задают трапецеидальным (рис
роботов закон íîì ) привода в 8.3), что обес-
183
печивает постоянное ускорение (линейное a или угловое ) при разгоне и торможении.
Отношение пути разгона |
Sp p |
выходного звена привода к его |
|||||||
полному перемещению |
S |
представляет собой характеристику |
|||||||
|
|||||||||
цикла работы привода: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K ц |
|
S |
p |
|
|
p |
, |
|
|
|
|
||||||
|
|
S |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
||||
где Sp p – путь разгона выходного звена при его линейном (угло- |
|||||||||
вом) перемещении; |
S |
– полное линейное (угловое) перемеще- |
|||||||
|
|||||||||
ние выходного звена привода.
Рис.8.3
При заданной номинальной скорости víîì или |
wíîì |
быстро-
действие привода будет тем больше, чем меньше K ö . Слишком малое значение K ö вызывает большие динамические перегрузки при-
вода. В предварительных проектных расчетах приводов промышленных роботов можно принимать K ö =0,1.
Если
K
ö
=0,5, то путь разгона выходного звена привода стано-
вится равным |
половине полного его |
перемещения, т.е. |
Sp p =0,5S и |
период установившегося |
движения отсутствует. |
Трапецеидальный закон изменения скорости вырождается в тре-
угольный |
|
(рис. 8.3). При этом законе максимальная скорость |
|||||||
vmax wmax |
|
больше номинальной. Ее можно найти из условия: |
|||||||
|
|
Sp |
S |
|
atp2 |
|
v2 |
||
|
|
|
|
|
max |
, |
|||
|
|
2 |
2 |
|
|||||
|
|
|
|
|
2a |
||||
184
|
vmax |
|
, |
откуда |
S a |
где а – линейное ускорение выходного звена привода;
tp
-время
разгона выходного звена привода.
При вращательном движении выходного звена привода его максимальная угловая скорость равна:
где
rmax
w |
|
|
a |
, |
|
max |
r |
||||
|
|
|
|||
|
|
|
|
||
|
|
|
max |
|
– максимальный радиус действия системы звеньев испол-
нительного устройства робота, расположенной за рассматриваемой степенью подвижности.
Следовательно, при проектировании приводов роботов номинальные скорости перемещения выходных звеньев исполнительно-
го устройства должны |
задавать |
меньше |
максимальных, т.е. |
|||
víîì vmax и wíîì |
wmax . |
|
|
|
|
|
Путь разгона при линейном перемещении выходного звена |
||||||
можно определить в виде: |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Sp K љ S . |
|
|
В период установившегося движения линейное перемещение |
||||||
выходного звена равно: |
|
S 2K S 1 2K S. |
||||
S |
y |
S 2S |
p |
|||
|
|
|
љ |
љ |
||
Время разгона выходного звена:
t |
|
|
2S |
p |
|
2K |
ö |
S |
. |
||
|
|
|
|
|
|
||||||
p |
v |
|
|
v |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
íîì |
|
íîì |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Время установившегося движения:
|
|
|
|
|
|
|
|
2K |
|
|
|
t |
|
|
S |
y |
|
1 |
ö |
S |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
y |
v |
|
|
|
v |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
íîì |
|
|
íîì |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
.
Время полного перемещения выходного звена привода:
|
|
2K ö S |
|
|
2K |
ö |
|
|
2K |
ö |
|
t 2tp ty |
2 |
|
|
1 |
S |
|
1 |
S |
. |
||
víîì |
|
víîì |
|
|
víîì |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Линейное ускорение выходного звена:
a |
víîì |
|
víîì2 |
|
. |
|
tp |
|
2K ö |
S |
|
При угловом перемещении выходного звена предыдущих формулах необходимо S заменить на
привода во всех
, víîì на wíîì и
а на – угловое ускорение выходного звена привода.
185
8.6. Положение центра масс исполнительного устройства
Положение центра Сi масс системы подвижных звеньев исполнительного устройства робота и объекта (рис. 8.4) может быть определено как геометрическая сумма главных векторов hk звеньев, направленных параллельно осям соответствующих звеньев испол-
нительного устройства робота. |
Радиус-вектор |
r |
центра С |
i |
масс |
|||
|
|
|
|
|
Ci |
|
|
|
рассматриваемой системы звеньев i…n равен: |
|
|
|
|
||||
C |
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
r |
i |
h |
, |
|
|
|
|
|
|
|
k i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где
hk
– главный вектор К-го звена.
|
m b |
|
n |
m |
|
|
|
|
|
|
k |
||
|
k k |
|
j |
|
||
h |
|
j k 1 |
, |
|||
n |
|
|
|
|||
k |
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
k i |
|
|
|
|
mk – масса К-го звена, кг; bk – расстояние от конца (К-1)-го звена до центра Оk масс К-го звена, мм; k – длина К-го звена, мм; n – число звеньев исполнительного устройства робота; mj – масса j-го
звена, кг.
Рис. 8.4
Конец вектора rCi определяет центр Сi масс системы i...n зве-
ньев ИУ. На рис. 8.4 показано графическое нахождение центров масс различных систем звеньев исполнительного устройства робо-
186
та. С1 – центр масс всего исполнительного устройства и объекта; С2 – центр масс системы звеньев 2, 3, 4 и объекта; С3 – центр масс звеньев 3, 4 и объекта; С4 – центр масс звена 4 и объекта.
8.7. Сила сопротивления привода
Сила сопротивления F, H, i-го привода складывается из силы
сопротивления
FHi
от неуравновешенности системы
n K
k i
подвиж-
ных звеньев исполнительного устройства робота, расположенной между рассматриваемым i-м приводом и рабочим органом с объек-
том, и динамической (инерционной) силы |
Fui , возникающей в мо- |
мент разгона и торможения этих же звеньев и объекта (рис. 8.4)
[34]:
Fi FHi Fui . |
(8.1) |
Силу сопротивления
FHi
, H, i-го привода от неуравновешенно-
сти масс можно получить, если спроецировать силу тяжести системы звеньев исполнительного устройства робота, расположенную между рассматриваемым i-м приводом и рабочим органом с объектом, приложенную в центре Сi масс этой системы, на направление перемещения рассматриваемой поступательной степени подвижности:
FHi
n
mk
k i
m g
i
sin k k 1
,
(8.2)
где m – масса объекта, кг;
k
– угол между продолжением (К-1)-го
звена и направлением К-го звена.
Эту формулу используют для расчета готовой или спроектированной конструкции исполнительного устройства робота, когда массы всех звеньев известны.
|
|
n |
|
|
|
|
mk |
m |
|
Обозначим K1i |
|
k i |
|
, |
m |
|
|||
|
|
|
|
|
где K1i =1,4...2,3 – коэффициент конструкции.
Тогда сила сопротивления от неуравновешенности масс будет равна:
i |
|
FHi K1i m g sin k . |
(8.3) |
k 1
187
Эту формулу используют в проектных расчетах, когда массы звеньев неизвестны.
Динамическая сила |
Fui , H, равна: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
m |
v2 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
íîì |
|
||
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
||
F |
ui |
|
|
|
m |
m a |
i |
|
|
k i |
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
2K |
|
S |
|
|
|||||
|
|
|
|
k i |
|
|
|
|
|
|
öi |
i |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
, |
(8.4) |
где аi – линейное ускорение i-го звена, м/с2:
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
v |
|
|
víîì |
|
|
|||
a |
|
|
íîì.i |
|
i |
, |
|||||
i |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
2S |
|
|
2K |
|
S |
|
|||
|
|
|
pi |
|
öi |
i |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
v |
íîì |
|
|
|
i |
– номинальная линейная скорость i-го звена, м/с; Spi – путь
разгона на, м; K
i-го звена, м; Si – полное линейное перемещение i-го зве- öi – характеристика цикла i-го привода:
|
|
|
S |
|
K |
|
|
pi |
|
цi |
S |
|||
|
|
|||
|
|
|
||
|
|
|
i |
.
Формула справедлива для расчета готовой или спроектированной конструкции исполнительного устройства робота, когда массы всех звеньев известны.
В проектных расчетах, когда массы звеньев исполнительного устройства робота неизвестны, динамическую силу находят по формуле:
|
|
|
|
|
|
K |
|
m v |
2 |
|
|||
F |
|
K |
|
m a |
|
1i |
íîì |
i |
|||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
ui |
1i |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
i |
|
|
2K |
|
S |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
öi |
i |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
.
(8.5)
После подстановки (8.3) и (8.5) в (8.1) получим формулу проектного расчета для определения силы сопротивления i-го привода исполнительного устройства робота:
|
|
|
v |
2 |
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
номi |
|
g sin k |
|
. |
|
|||||
Fi K1i m |
2K |
|
S |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
цi |
i |
|
k 1 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
: |
Для привода горизонтального перемещения |
|
k |
0 |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k 1 |
|
|
|
|
|
|
F Ã K |
|
m |
|
víîì2 |
i . |
|
|
|
|
|
|
||||
i |
1i |
|
|
2K öi |
S i |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
(8.6)
188
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
Для привода вертикального перемещения |
|
k |
90 |
|
: |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
||
|
F B |
K |
|
m |
|
víîì i |
g . |
|
|
|
|
|||||
|
1i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
i |
|
|
|
|
2K öi S i |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Подставляя (8.2) и (8.4) в (8.1) получим формулу проверочного |
||||||||||||||||
расчета: |
|
|
|
|
|
|
v |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
2 |
|
|
|
i |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
íîì |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Fi |
mk m |
|
|
|
i |
g sin k . |
|
(8.7) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k i |
|
|
|
2K öi S i |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
k 1 |
|
|
|
|||||||
8.8. Момент сопротивления привода
Момент сопротивления Тi, Hм, i-го привода складывается
|
n |
момента сопротивления ТHi от неуравновешенности системы |
|
|
k i |
из
K
подвижных звеньев исполнительного устройства робота, расположенной между рассматриваемым i-м приводом и рабочим органом с объектом, и динамического момента Тui, возникающего в момент разгона и торможения этих же звеньев и объекта [34]:
Ti
Момент сопротивления (рис. 8.4) равен:
THi
ТHi,
Tui
Нм,
. |
(8.8) |
от неуравновешенности масс
T |
|
|
n |
m |
|
|
|
|
|
n |
m |
|
|
|
n |
cos |
k |
|
|
|
|||
|
|
|
|
m g h |
|
|
m g |
h |
|
j |
|||||||||||||
Hi |
|
k |
|
|
Ci |
|
|
k |
|
|
|
k |
|
|
|
||||||||
|
|
k i |
|
|
|
|
|
k i |
|
|
|
|
|
|
k i |
|
j 1 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
n |
m |
|
|
cos |
k |
|
|
, |
|
|
|
|
|
(8.9) |
|||
|
|
|
|
|
m g r |
|
j |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
k |
|
Ci |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
k i |
|
|
|
|
|
|
|
j 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где hCi – |
проекция |
радиус-вектора |
|
|
|
на |
горизонталь, м; hk – |
||||||||||||||||
rCi |
|||||||||||||||||||||||
длина главного вектора k-го звена, м.
Формулу (8.9) применяют для расчета готовой или спроектированной конструкции исполнительного устройства робота, когда массы всех звеньев известны.
189