Конспект лекций по КМР

Для привода поступательной степени подвижности А при преобразовании вращательного движения в поступательное:

Для привода вращательной степени подвижности С при преобразовании поступательного движения во вращательное:

n

2vд2 J Hj

j 1

j1

8.11.Размещение приводов на исполнительном устройстве

Различают два способа размещения приводов на исполнительном устройстве робота:

все или часть приводов вынесены на общее основание (рис.

8.7);

приводы размещены непосредственно на функциональных звеньях исполнительного устройства, причем каждое предыдущее функциональное звено является стойкой для привода последующего функционального звена (рис. 8.8).

200

При первом способе размещения приводов передачу движения от привода к функциональному звену осуществляют за счет длинных кинематических цепей, представляющих собой цепные, зубчатоременные, тросовые, винтовые и т.п. преобразователи движения. Установка приводов на общем основании позволяет снизить требования к массогабаритным характеристикам привода. Масса исполнительного устройства сосредоточивается в основании. Функциональные звенья не несут дополнительной нагрузки от массы приводов.

Вто же время усложняется передача движения от приводов к функциональным звеньям; вибрация механического преобразователя приводит к дополнительной потери энергии и износу элементов кинематических пар; дополнительные преобразователи движения усложняют управление исполнительным устройством; погрешность позиционирования рабочего органа робота возрастает.

При размещении приводов непосредственно на функциональных звеньях, отсутствуют длинные кинематические цепи, значительно упрощается передача движения от привода к функциональному звену, управление исполнительным устройством осуществляется существенно проще, чем при расположении приводов на общем основании.

Однако при таком способе размещения приводов значительно возрастают массы, габариты и моменты инерции функциональных звеньев, что приводит к снижению грузоподъемности исполнительного устройства и ухудшению его динамических характеристик.

Встречается и комбинированный способ размещения приводов на исполнительном устройстве робота. Примером может служить промышленный робот ТУР-10, у которого один привод расположен на неподвижном основании, а четыре привода – на подвижной платформе, связанной с первым звеном исполнительного устройства, которые посредством цепных передач передают движение звеньям исполнительного устройства.

8.12.Электродвигатели

Вприводах роботов в качестве электромеханических преобразователей, осуществляющих преобразование электрической энергии в механическую, используют электродвигатели углового и линейного движения выходного звена. Электродвигатели углового движения известны давно и нашли широкое применение в различных областях техники. Электродвигатели линейного движения (ли-

201

нейные электродвигатели) появились в самом конце XX века и пока что имеют ограниченное применение.

8.12.1.Электродвигатели углового движения

Вприводах роботов применяют различные типы электродвигателей углового движения: постоянного тока (ДПТ) (рис. 8.9, а), а также синхронные (рис. 8.9, б) и асинхронные (рис. 8.9, в) переменного тока.

Рис. 8.9

Наиболее простым в управлении является электродвигатель постоянного тока, так как при постоянном значении магнитного потока регулирование момента проводят только изменением величины тока.

Синхронный двигатель (иногда его называют вентильным) состоит из синхронной электрической машины, датчика положения ротора и электронного устройства управления.

Управление синхронным электродвигателем сложнее, так как при фиксированном значении магнитного потока кроме регулирования величины тока, необходимо регулировать величину пространственного угла, добиваясь получения необходимого значения момента.

Наиболее сложным в управлении является асинхронный электродвигатель, так как управление им требует регулирования тока ротора путем регулирования тока статора при поддержании постоянства магнитного потока и пространственного угла для получения максимального значения развиваемого момента.

По большинству основных показателей, и прежде всего по массогабаритным показателям, электродвигатели переменного тока превосходят коллекторные электродвигатели постоянного тока.

202

Электродвигатели постоянного тока выбирают с учетом их фор-

мы, так как она в значительной мере определяет геометрические параметры привода. По конструктивному исполнению различают два вида электродвигателей: классическую форму (L/D 2) и дисковую (L/D 1), где L – длина двигателя, D – диаметр его корпуса. Форма двигателя зависит от конструкции якоря и вида встроенных датчиков. Известны три вида конструктивного исполнения якорей двигателей постоянного тока: классический, гладкий и малоинерционный. Вид якоря определяют по наличию на нем паза (классический) или отсутствию паза (гладкий) и выполнению якоря полым или дисковым (малоинерционный).

По способу подведения напряжения в обмотку якоря двигатели постоянного тока делят на коллекторные и бесконтактные (вентильные).

Двигатели с классическим якорем имеют относительно неболь-

шой диаметр якоря при значительной его длине. Следовательно, классическая (удлиненная) форма двигателя обусловлена конструкцией якоря. Эти двигатели надежны, обладают большой прочностью и теплоемкостью. К ним относят, например, коллекторные двигатели с обмоткой возбуждения серий Д и СД, возбуждением от постоянных магнитов серий ДП и ДПМ и т.п.

У двигателей серий Д и СД, например, Д-25Г, СД-150 цифры 25 и 150 в их обозначении указывают значение номинальной мощности в Вт. В обозначении двигателей серии ДПМ мощностью свыше 100 Вт, например, ДПМ-1,6, цифры обозначают значение номинального момента, Нм, а мощностью менее 100 Вт, например, ДПМ-25, - наружный диаметр корпуса, мм.

Двигатели с малоинерционным полым якорем имеют классиче-

скую (удлиненную) форму. В них постоянные магниты могут находиться как внутри ротора, так и снаружи. В последнем случае момент инерции вращающихся частей меньше, чем при расположении магнитов внутри ротора.

Эти двигатели обладают более высоким КПД и большим быстродействием по сравнению с двигателями с классическим якорем.

Двигатели с малоинерционным дисковым якорем имеют форму короткого цилиндра длина которых меньше их диаметра. Якорь у таких двигателей представляет собой закрепленный на валу тонкий немагнитный диск.

Возбуждение двигателя обычно создается постоянными магнитами (реже обмотками возбуждения), расположенными в торцевой плоскости, так что двигатель имеет не цилиндрический (радиаль-

203

ный) воздушный зазор, а плоский (аксиальный). При этом сокращаются осевые габаритные размеры двигателя.

Дисковые двигатели обладают большим быстродействием, чем классические, так как их вращающаяся часть имеет малый момент инерции. При этом кратность пускового момента у них выше (до 10), чем у классических двигателей.

У двигателей с дисковым якорем существует проблема отвода тепла, так как тепловая постоянная якоря относительно мала. Поэтому приводы с двигателями с дисковым якорем рекомендуют устанавливать на металлическом основании или осуществлять принудительную их вентиляцию.

Условное обозначение коллекторного двигателя серии ДП с дисковым якорем с проволочной обмоткой, выведенной на коллектор, и возбуждением от постоянных магнитов, например ДП125- 60-3-24, расшифровывают следующим образом: 125 – диаметр корпуса, мм; 60 – номинальная мощность, Вт; 3 – частота вращения вала, тыч. об/мин; 24 – напряжение питания, В. В двигателях с дисковым якорем с печатной обмоткой и возбуждением от постоянных магнитов серии ПЯ, например ПЯ-50, цифра 50 указывает номинальную мощность, Вт. Двигатели серии ПЯ снабжены встроенным тахогенератором.

Коллекторные двигатели постоянного тока обладают малым сроком службы, повышенной чувствительностью к воздействиям окружающей среды, искрением под щетками, образованием щеточной пыли. Эти недостатки связаны с наличием скользящего контакта в щеточно-коллекторном узле.

Бесконтактные двигатели – это двигатели, у которых механический коллектор заменен бесконтактным переключателем (коммутатором) на полупроводниковых приборах. Коммутатор управляется датчиком положения ротора. При этом несколько увеличиваются габаритные размеры и масса двигателя, но значительно повышаются его надежность и долговечность по сравнению с коллекторными двигателями.

Бесконтактный двигатель содержит синхронную машину и датчик углового положения ротора. Бесконтактный двигатель постоянного тока имеет инверсное (обращенное) исполнение, т.е. обмотка якоря расположена в пазах статора, а на роторе размещены постоянные магниты с одной или двумя парами полюсов.

В качестве датчиков положения ротора применяют сельсины, синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (резольверы), датчики Холла.

204

При дискретном способе управления используют цифровые датчики положения.

Срок службы современных бесконтактных двигателей превы-

шает 10000 ч.

Примером высокооборотных бесконтактных двигателей являются двигатели серии БК.

Технические характеристики и геометрические параметры некоторых типов электродвигателей постоянного тока приведены в табл. 8.1.

Т а б л и ц а 8.1

Технические характеристики и геометрические параметры электродвигателей постоянного тока

205

Продолжение табл. 8.1

Электродвигатели переменного тока бесколлекторные широко применяют в приводах промышленных роботов ввиду длительности их службы (гарантийный срок службы более 40000 ч), больших кратковременных перегрузок по току, возможности использования в агрессивных средах, так как отсутствует механический контактный коллектор источник искрового и дугового разрядов, небольших массогабаритных параметров, удобного охлаждения обмотки якоря, потому что она расположена на неподвижном статоре.

По массогабаритным показателям электродвигатели переменного тока, как правило, превосходят коллекторные электродвигатели постоянного тока.

Электродвигатели переменного тока бывают асинхронные и синхронные.

Асинхронные электродвигатели широко применяют в различных сферах промышленности разных модификаций: однофазные, двухфазные и трехфазные, с короткозамкнутым и фазным роторами. В настоящее время в приводах роботов находят наибольшее применение трехфазные короткозамкнутые электродвигатели.

Регулирование скорости асинхронного короткозамкнутого электродвигателя проводят путем регулирования задаваемой частоты и тока электродвигателя. Такое регулирование называют частотно-токовым.

206

В табл. 8.2 представлены технические характеристики и геометрические параметры асинхронных электродвигателей серий ДАТ и 4А.

Т а б л и ц а 8.2

Технические характеристики и геометрические параметры асинхронных электродвигателей серий ДАТ и 4А (220 В)

207

Синхронные электродвигатели применяют в различных областях техники из-за хорошей управляемости, высокого КПД, бесконтактности, широких функциональных возможностей и т.п.

Применение синхронных электродвигателей в приводах роботов обеспечивает им высокую частоту вращения, малое время (менее 0,1 с) разгона от нуля до максимальной частоты вращения вала, отсутствие пульсаций момента, малые массу и габариты, небольшой момент инерции собственной массы, высокую перегрузочную способность в циклическом режиме, широкий диапазон регулирования частоты вращения вала.

Электромагнитный момент синхронного электродвигателя зависит от магнитного потока возбуждения, тока и пространственного угла между векторами магнитного потока и тока. Он достигает максимума при =90°.

У синхронных электродвигателей угол положения ротора относительно статора контролируется дискретным датчиком. Равномерность регулирования в пределах шага достигается путем регулирования тока. Система управления замкнутая. Такой режим работы называют режимом бесконтактного электродвигателя постоянного тока.

При работе в режиме бесконтактной машины постоянного тока синхронный электродвигатель имеет механические и регулировочные характеристики, аналогичные электродвигателю постоянного тока.

Однако наиболее хорошие регулировочные свойства синхронный электродвигатель приобретает не при дискретном, а при непрерывном контроле положения ротора и отслеживании равенства угла =90°, тем самым формируя синусоидальное значение тока в каждой фазе электродвигателя. При этом электродвигатель имеет самые высокие энергетические характеристики.

Примером синхронных вентильных электродвигателей являются электродвигатели серий: ДВУ – на магнитах из ферритастронция с номинальным моментом от 7 до 170 Нм и частотой вращения 2000...3000 об/мин; 2ДВУ – на редкоземельных магнитах

сноминальным моментом от 0,05 до 7 Нм и частотой вращения 2000...6000 об/мин; 3ДВУ – дисковые на редкоземельных магнитах

сноминальным моментом от 1 до 47 Нм и частотой вращения

2000...6000 об/мин.

Максимальный момент этих электродвигателей Tmax≈5Tн.

Все электродвигатели серий ДВУ имеют пристраиваемый комплексный датчик типа ПДФ-8 или ПДФ-9, включающий бесколлекторный тахогенератор, бесконтактный датчик положения ротора

208

и датчик положения или встроенный датчик аналогичного назначения. Электродвигатели имеют модификацию со встроенным электромагнитным тормозом.

Технические характеристики и геометрические параметры электродвигателей серии ДВУ приведены в табл. 8.3.

Т а б л и ц а 8.3

Технические характеристики и геометрические параметры синхронных электродвигателей серии ДВУ

2

Следует отметить новое направление в конструктивном исполнении электродвигателей. Это проектирование и создание электродвигателей для непосредственного встраивания в механизм, а не принятого универсального присоединения к механизму. В состав таких электродвигателей не входят вал, опорные щиты и подшипники. Такая конструкция позволяет конструировать механический преобразователь, исключив дублирование вала, опорных щитов и подшипников.

Примером такого исполнения являются вентильные бесконтактные электродвигатели серии ДБМ (рис.8.10). Они имеют плоскую встраиваемую конструкцию, состоящую из статора 1 и ротора 2 и предназначены

для работы в шаговом и регулируемом режимах.

Такое исполнение обеспечивает пакетирование для увеличения требуемого момента, т.е. конструкция двигателя в этом случае

209