Конспект лекций по КМР

Рассмотрим более подробно каждый тип мехатронных модулей. Модуль движения (МД) – конструктивно и функционально самостоятельное изделие, включающее в себя механическую и электрическую (электротехническую) части, которое можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими

модулями.

Главным отличающим признаком модуля движения от общепромышленного привода является использование вала двигателя в качестве одного из элементов механического преобразователя. Примерами модулей движения являются мотор-редуктор, моторколесо, мотор-барабан, электрошпиндель.

С появлением электродвигателей и началом новой эры в механизации технологических процессов встал вопрос о необходимости широкого редуцирования частот вращения электродвигателей и получения необходимых крутящих моментов. Многими фирмами были разработаны различные конструкции, начиная от ременных и цепных передач и заканчивая разнообразными зубчатыми редукторами. Недостаток большинства этих конструкций состоял в чрезвычайной их громоздкости и неудобстве монтажа.

В 1927 году фирмой «Бауэр» была разработана принципиально новая конструкция – мотор-редуктор, объединившая в один компактный конструктивный модуль электродвигатель и преобразователь движения (редуктор) и получившая в настоящее время широкое распространение.

Мотор-редуктор (рис. 16.2) состоит из двух основных элементов: электродвигателя 1 и преобразователя движения (редуктора) 2, имеющего стыковочную поверхность 3 с отверстиями для крепления к ней электродвигателя винтами или болтами 4. При объеди-

505

электродвигателя и преобразователя движения единый. Мотор-редукторы являются, по-видимому, исторически пер-

выми по принципу своего построения мехатронными модулями, которые стали серийно выпускать и нашли широкое применение в приводах различных машин и механизмов. В них, по сравнению с традиционным электроприводом, у которого соединение вала двигателя и вала преобразователя движения осуществляют посредством муфты, муфта отсутствует, соединение вала двигателя с полым валом преобразователя движения осуществляют при помощи шпонок, лысок и т.п. или вал двигателя является входным валом редуктора, т.е. вал единый.

Конструктивное объединение электродвигателя и преобразователя движения в единый компактный электропривод – модуль движения – имеет ряд преимуществ по сравнению с устаревшей системой соединения электродвигателя и преобразователя движения через муфту. Это и значительное сокращение габаритных размеров, существенное уменьшение количества присоединительных деталей и затрат на установку, отладку и запуск.

Мехатронный модуль движения (ММД) – конструктивно и функционально самостоятельное изделие, включающее в себя механическую, электрическую (электротехническую) и информационную части, которое можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими модулями.

Всвязи с развитием новых электронных технологий, которые позволили создать миниатюрные датчики и электронные блоки для обработки их сигналов, в мехатронных модулях движения появились электронные и информационные устройства, что является их главным отличающим признаком от модулей движения.

Структура мехатронного модуля движения представлена на рис.

16.4.

Электродвигатель – это электротехнический преобразователь электрической энергии в механическую.

Механический преобразователь – устройство, преобразующее параметры движения двигателя в требуемые параметры движения выходного звена (может отсутствовать).

Всостав механического преобразователя входят: преобразователи движения (передачи) - механизмы, предна-

значенные для преобразования одного вида движения в другое, согласования скоростей и вращающих моментов двигателя и выходного звена мехатронного модуля;

тормозное устройство – устройство, предназначенное для уменьшения скорости подвижного звена, останова и удержания его

506

в неподвижном состоянии (может отсутствовать); люфтовыбирающие механизмы – устройства, предназначенные

для выборки зазоров в некоторых видах преобразователей движения (могут отсутствовать);

направляющие – устройства, обеспечивающие заданное относительное движение выходного звена мехатронного модуля (могут отсутствовать).

Структура мехатронного модуля движения

Мехатронный модуль движения

Информационное устройство – устройство, преобразующее контролируемую величину в сигнал, удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации, а также для воздействия им на управляемые процессы.

Попытка синтеза мехатронного модуля движения из имеющихся в наличии серийно выпускаемых компонентов может привести к технически и экономически неэффективным решениям. Поэтому более рациональным является проектирование специализированного мехатронного модуля движения, наиболее полно отвечающего его служебному назначению.

507

В частности, следование принципу синергетической интеграции элементов системы приводит к обеспечению желаемого уровня качества модуля за счет конструктивного и функционального взаимопроникновения его компонентов, многие из которых являются специализированными и создаются в ходе параллельного системного проектирования с учетом их последующего эффективного объединения.

Примеры мехатронных модулей движения: мехатронные модули движения на основе электродвигателей углового и линейного движения и различных преобразователей движения (винтовых, червячных, планетарных, волновых и т.п.), безредукторные мехатронные модули движения, безредукторные поворотные столы.

На рис. 16.5 изображен мехатронный модуль линейного движения выходного звена. Он состоит из асинхронного электродвигателя 1 с полым валом 2, в котором закреплены три ряда шариков 3, шарико-винтового преобразователя движения, включающего в себя винт 4 с двумя участками резьбы разных шагов, шарики 5 и 6, две составные гайки 7 и 8, жестко скрепленные с направляющей 9 и выходным звеном 10 мехатронного модуля соответственно, шариков 11, закрепленных в выходном звене 10, электромагнитного тормоза 12, фотоимпульсного датчика 13 и корпуса 14.

Рис. 16.5

При вращении ротора электродвигателя 1 вал 2 через шарики 3 вращает винт 4, который совершает винтовое движение. При этом выходное звено 10 совершает сложное движение: переносное движение с винтом 4 и относительное движение относительно винта 4. Для предотвращения проворачивания и уменьшения трения при перемещении выходного звена 10 в направляющей 9 сделаны три

508

продольных паза, в которые входят шарики 11. Величину перемещения выходного звена 10 фиксирует фотоимпульсный датчик 13. Электромагнитный тормоз 12, закрепленный в корпусе 14, в случае отключения электроэнергии срабатывает и останавливает выходное звено 10.

Включение в классификацию модулей движения и мехатронных модулей движения методически и логически обосновано, так как они построены на мехатронных принципах проектирования и являются базой для создания «истинно мехатронных» модулей – интеллектуальных мехатронных модулей, которые полностью соответствуют определению мехатроники.

Интеллектуальный мехатронный модуль (ИММ) – конструктивно и функционально самостоятельное изделие с синергетической интеграцией механической, электрической (электротехнической), информационной и компьютерной (электронной) частей, которое можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими модулями.

Интеллектуальный мехатронный модуль состоит из следующих основных элементов:

электродвигателя (хотя возможно использование движителей и других типов, например, гидравлических);

механического преобразователя;

датчиков обратной связи и сенсорных устройств;

управляющего контроллера;

силового преобразователя;

устройств сопряжения и связи.

Таким образом, по сравнению с мехатронными модулями движения (ММД), в конструкцию ИММ дополнительно встраивают микропроцессорные вычислительные устройства и силовые электронные преобразователи, что придает этим модулям интеллектуальные свойств и является их главным отличающим признаком от ММД.

На рис. 16.6 изображен интеллектуальный мехатронный модуль, состоящий из асинхронного электродвигателя 1, механического преобразователя 2 и силового преобразователя 3.

Такое конструктивное исполнение интеллектуальных мехатронных модулей позволяет выходному звену выполнять сложные движения самостоятельно, без обращения к верхнему уровню управления,

509

упростить интерфесы между модулями и центральным устройством управления, реализовать с помощью силовых преобразователей интеллектуальные функции по управлению движением, добиться высокой точности измерения благодаря интеллектуализации сенсоров, повысить их надежность.

16.3. Расчет модулей

При расчете и конструировании модулей степеней подвижности и рабочих органов необходимо выбрать компоновочнокинематическую схему модуля, определить взаимодействия его основных функциональных элементов и найти конструктивные параметры деталей модуля.

Исходными данными для расчета и конструирования модуля являются: структурная схема, тип привода (пневматический, гидравлический, электромеханический), момент (сила) сопротивления на выходном звене модуля, угловая (линейная) скорость выходного звена, погрешность движения выходного звена.

Расчет модуля включает в себя: выбор двигателя, определение общего передаточного отношения модуля и разбивка его по отдельным преобразователям движения, разбивка погрешности движения выходного звена модуля по погрешностям его отдельных элементов, расчет отдельных элементов, выбор тормозных устройств и датчиков обратной связи, разработка стыковочных узлов, компоновка модуля.

Выбор двигателя проводят в зависимости от типа привода по требуемой мощности или по усилию на штоке цилиндра (см. раз-

дел 8.9.)

Общее передаточное отношение модуля находят как отноше-

где uj – передаточное отношение j-го преобразователя движения; n – число преобразователей движения.

Скорость двигателя и выходного звена модуля может быть как угловой, так и линейной:

w при угловом движении;

Ω

v при линейномдвижении.

510

Разбивку общего передаточного отношения модуля по передаточным отношениям отдельных преобразователей движения проводят в соответствии с пределами изменения передаточных отношений отдельных передач (табл. 16.1).

Т а б л и ц а 16.1

Передаточные отношения преобразователей движения

Расчет и конструирование преобразователей движения, тормозных, люфтовыбирающих, демпфирующих механизмов, направляющих устройств модуля проводят по изложенной в соответствующих разделах учебника методике, а также по методике, изложенной в учебниках «Детали машин» и справочной литературе.

511

16.4. Разбиение погрешности модуля по его элементам

При конструировании модулей степеней подвижности и рабочих органов необходимо учитывать, что они работают с определенной погрешностью q, которая является следствием действия частных погрешностей: погрешности q1= q'' ввода обобщенной координаты (для механических захватных устройств – погрешности системы управления двигателя), кинематических погрешностейq2=φ и погрешностей q3=Jφ мертвого хода преобразователей движения модуля, погрешностей, вызванных упругими деформациями элементов преобразователей движения ( q4 - валов, q5 - зубьев зубчатых колес, q6 - ходовых винтов, стержней) модуля

(рис. 16.7).

Рис. 16.7

Погрешность q выходного звена модуля, в дальнейшем просто погрешность модуля (погрешность обобщенной координаты робота), должна быть меньше допускаемой погрешности [ q], т.е. необходимо выполнять условие точности модуля:

512

где qi – i-я частная погрешность модуля:

m – число частных погрешностей модуля; n – число элементов модуля (двигатели, преобразователи движения, валы, винты и т.д.), вызывающих его i-ю частную погрешность. Для кинематической погрешности и мертвого хода – число преобразователей движения, для упругой деформации элементов модуля – число упругих элементов, для двигателя и функционального звена n=1;

j – передаточный коэффициент между j-м и выходным элементами модуля:

где t j – при расчете погрешностей, вызванных системой управления и двигателем, а также упругой деформацией элементов мо-

uj – передаточное отношение между j -м и выходным элементами

расчете кинематической погрешности и мертвого хода – частная

податливости модуля: для преобразователя движения – частная погрешность выходного звена контактирующих элементов, для вала - его выходного конца.

наличии нескольких элементов модуля выражение (16.3) можно записать:

513

где n=1 – передаточный коэффициент последнего n-го преобразователя движения.

Подставляя значение δ qin в выражение (16.3) и производя преобразования, получим:

Поступая аналогично предыдущему случаю можно записать:

514