Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Промышленные роботы и робототехнические системы. Учебное пособие
.pdf
– М содержит, как правило, не менее трех звеньев, имеющих
большую длину и закрепленных консольно;
– звенья М соединяются между собой за счет элементов каче-
ния с незначительной площадью контакта сопрягаемых тел,
деформация которых приводит к большим смещениям РО под
действием инерционных нагрузок;
– из условий работы звенья М нельзя охватить обратными свя-
зями;
– для снижения энергетических затрат приводов М минимизи-
руются весовые характеристики, а следовательно, и жесткость
его звеньев.
При расчете деформаций механической системы ПР учитываются
инерционные нагрузки от перемещения масс объектов манипулирования и элементов приводов. Статической деформацией от массы звеньев и объекта манипулирования пренебрегают, т.к. она учитывается
в управляющих программах ПР.
Деформация от инерционных нагрузок возникает в следующие
моменты движения:
– в начале разгона, когда ускорение возрастает от нуля до мак-
симума;
– в конце, когда ускорение падает от максимума до нуля;
– в начале торможения, когда ускорение изменяется от нуля до
максимального отрицательного значения;
– в конце торможения (позиционирования), когда ускорение
падает до нуля.
Таким образом, деформации механической системы вызываются
не внешними силами, а являются следствием движения по заданному
закону.
Исходными данными для расчета деформаций являются:
– структурная схема М;
– значения и законы изменения ускорения звеньев;
– масса объекта манипулирования;
– длины звеньев М;
– допускаемые погрешности позиционирования.
31
Расчет деформаций М приводится в следующей последователь-
,,
xyz
∆∆∆
,,
xk yk zk
∆∆∆
,,
xyx
xyz
KKK
∆
∆∆∆
( ) ( )
( )
( )
,,
( )
( )
zk z
ft∆ +∆ =
ности:
– определяются массы РО его привода, расстояние от центра
масс РО до выходного фланца механизма его привода;
– выполняется приближенный расчет на жесткость руки М,
учитывая инерционные нагрузки от массы РО и его привода;
– определяется ориентировочная масса передаточных механиз-
мов;
– находится масса звеньев М;
– выбираются длины заделки звеньев и размеры тел качения
узлов соединения;
– разрабатывается расчетная схема М;
– определяются перемещения РО от деформаций звеньев М
инерционными силами при условии, что узлы соединения
звеньев является абсолютно жесткими, в трех взаимно пер-
пендикулярных направлениях –
;
– находятся перемещения РО в трех взаимно перпендикулярных
направлениях
от контактной деформации узлов
соединения звеньев под воздействием инерционных сил при
условии, что эти узлы абсолютно жесткие;
– рассчитываются относительные коэффициенты контактной
деформации
∆
xk
= = =
yk
∆
zk
;
– находится собственная частота основного тона колебаний
механической системы;
– строятся графики
сравнивается амплитуда колебаний при окончании движения с допустимой деформацией или погрешностью позиционирования, а также
оценивается время движения к точке.
При неудовлетворительных результатах расчета деформаций необходимо или изменить жесткость элементов механической системы
(звеньев, узлов их соединения), или закон движения, после чего расчет повторить.
xk x yk y
ft ft∆ +∆ = ∆ +∆ =
при движении к точке позиционирования и
32
2.3 Приводы степеней подвижности
2.3.1 Классификация и особенности применения приводов
Приводы ПР – это устройства для преобразования сигналов от
системы управления в механические перемещения М.
К приводам М предъявляются следующие требования:
– минимальные габаритные размеры;
– высокие энергетические показатели удельной мощности, опре-
деляемой отношением выходной мощности к массе привода;
– возможность работы в режиме автоматического управления
и регулирования с минимальным временем переходных про-
цессов и оптимальном законе разгона-торможения;
– быстродействие, т.е. осуществление движения исполнитель-
ных органов с высокими скоростями и малой погрешностью
позиционирования;
– малая масса элементов приводов при высоком к.п.д.;
– безопасная работа;
– возможность выстраивать системы терморегулирования для
обеспечения необходимых режимов работы приводов и ста-
бильных характеристик;
– надежность элементов конструкции;
– удобство монтажа и эксплуатации.
Приводы классифицируются по:
1. Виду энергоносителя:
– пневмопривод, как правило, подключаемый к централизо-
ванной пневмосети. Основные преимущества – дешевизна,
конструктивная простота, надежность, пожаробезопасность. К
недостаткам пневмопривода относятся – трудность реализации
следящего привода из-за высокой сжимаемости воздуха, большие габариты исполнительных двигателей из-за ограничения
давления в системе и низкая удельная мощность;
– электропривод, может выполняться индивидуальным или груп-
повым. Преимуществами электропривода являются – простота
обслуживания, высокий к.п.д., и отсутствие дополнительных
преобразователей энергии, а основной недостаток – низкие
показатели удельной мощности;
33
– гидропривод. Преимущества гидропривода для промышлен-
ных роботов заключаются в следующем – высокая удельная
мощность, быстродействие, малая инерционность, возможность реализации автоматического управления, простота
конструкции, надежность, низкая стоимость. Недостатками
являются – возможность утечек энергоносителя, дополнительные устройства охлаждения энергоносителя, сложность
эксплуатации.
2. Виду исполнительных двигателей:
– с двигателями поступательного прямолинейного движения
(гидро и пневмоцилиндры, и линейные электродвигатели);
– низкооборотные вращающиеся двигатели (роторные гидро
и пневмо цилиндры, радиальные, радиально-поршневые гидромоторы);
– высокоскоростные вращающиеся двигатели (электродвига-
тели, аксиально поршневые гидромоторы, пневмодвигатели).
Для данной группы двигателей, в отличии от первых двух, нужны редукторы для соединения с исполнительными звеньями.
3. Типу управления:
– разомкнутые приводы с позиционированием по жестким ме-
ханическим или электрическим упорами;
– разомкнутые приводы с цифровым управлением, в котором в
качестве двигателей используются шаговые электромоторы
или составные гидроцилиндры;
– следящий привод с обратной связью по положению скорости,
силе и т.д.
4. Способу регулирования энергии, подводимой к механической
системе и отводимой от неё:
– активные – регулируется подводимая к двигателю энергия;
– пассивная – регулируются тормозные силы.
Основными факторами, определяющими выбор типа привода,
являются:
– назначение ПР;
– грузоподъёмность на РО;
– условия эксплуатации;
34
– требуемые динамические характеристики конструкции;
– характеристики объектов, с которыми взаимодействует ПР;
– технико-экономические показатели;
– тип и структура системы управления.
Как правило, для универсальных ПР применяется гидро или
электроприводы, либо комбинированные электрогидравлические‚
когда маломощный электродвигатель вращает золотниковый гидроусилитель. При этом возможны два варианта:
– разомкнутый дискретный;
– замкнутый следящий.
Эксплуатационные характеристики обоих типов приводов равнозначны.
Применение пневмоприводов для ПР с программируемым перемещением ограничены. Они широко применяются на ПР, работающих
в пожаро-взрывоопасных условиях.
2.3.2 Сравнительный анализ характеристик приводов
Сравнительный анализ приводов ПР проводится по следующим
критериям:
– 1. Рабочее усилие на захватном устройстве. Пнемопривод не
может создавать больших усилий (до 250 Н) и обеспечивает
только прямолинейное движение. Гидропривод создает значительные усилия и обеспечивает прямолинейное и вращательное движения. Электропривод создает средние значения
усилий и обеспечивает, обычно, вращательное движение;
– 2. Управляемость. Пневмопривод не позволяет обеспечить
перемещение и позиционирование, с заданной точностью изза упругости воздушной среды. Гидропривод обеспечивает
высокоточное управление и позиционирование, однако сложно
регулировать усилие. Электропривод обеспечивает управление
положения РО и регулирование усилия на чем;
– 3. Быстродействие. Пневмопривод имеет низкое быстродей-
ствие при сложной системе пневмотрасс. Гидропривод обладает высоким быстродействием. Электропривод характеризуется
средним быстродействием, которое может быть повышено за
счет малоинерционных электродвигателей;
35
– 4. Габариты. У пневмопривода при малой грузоподъемности
12
,ϕϕ
12
ϕϕ
габариты будут незначительными. Гидропривод имеет довольно большие габариты. Электропривод так же достаточно
громоздкий, но его габариты могут быть уменьшены за счет
совершенствования конструкции электродвигателя;
– 5. Эксплуатационные требования. Пневмопривод требует уда-
ления влаги и масла из сжатого воздуха и смазки трущихся поверхностей. Гидроприводу необходим контроль и регулировка
уровня и температуры масла, периодическая промывка каналов
и фильтров‚ замены уплотнений. При соблюдении правил эксплуатации обладает высокой долговечностью. Электропривод
прост в обслуживании при эксплуатации;
– 6. Отношение к перегрузкам. Пневмопривод наиболее при-
способлен к перегрузкам, не выделяет тепла. Взрыво-пожаробезопасен. Гидропривод стоек к перегрузкам, но выделяет
при этом тепло и становится пожароопасным. Электропривод
не выдерживает перегрузок и требует применения мер взрывобезопасности.
2.3.3 Расчет нагрузок от поступательных и вращательных
степеней подвижности
После выбора типа привода необходимо определить мощность
двигателя и выбрать его модель. На стадии проектирования невозможно точно определить мощность привода из-за отсутствия истинных
значений масс звеньев и координат центров масс. Поэтому делается
ряд допущений, однако они позволяют вычислить значение мощности
с удовлетворительной точности.
Рассмотрим М, работающий в сферической системе координат.
Исходные данные:
m – масса объекта манипулирования, кг;
r – максимальный радиус действия;
S – максимальный перемещение по линейной координате, м;
– максимальные угловые скорости, с-1;
V – максимальная линейная скорость, м/с;
,
– максимальные перемещения по круговой координате, рад.
36
Мощность двигателя вращательной степени подвижности опре-
íè
âð
, êÂò,
i
MM
P+= ⋅ω
η
èí,i
= ⋅ε
í
M
è
M
деляется:
где
– момент неуравновешенных масс, включая груз, относи-
тельно соответствующей оси вращения, кНм;
– момент инерции в период разгона-торможения, кНм;
Рис. 13 – К расчету мощности привода М
MI
37
η – общий к.п.д. привода;
í
I
è
M
1ðò
S S kS= = ⋅
S S kS= = ⋅
i
ω
1
1
0,1k =
í ì2rr
=+=
ì
2
1,8 2,3k = …
2k =
í3
sinM k mgr= ⋅α
ε
– момент инерции вращающихся частей, кг∙м3;
– угловое ускорение, с-2.
i
Для определения
делаются следующие допущения:
– разгон и торможение происходит с постоянным ускорением;
– длина пути разгона равна длине пути торможения и составляет
некоторую часть пути перемещения, т.е.
.
1ðò
Коэффициент определяется из условия, что при заданных
V малые значения
k вызывают большие динамические нагрузки на
и
и
механизмы. Задаваясь коэффициентом перегрузки – 1,5, максимальное ускорение не превысит g / 2. Из этих соображений принимается
величина
.
Ускорение определяется по следующему выражению:
2
ω
i
ε=
i
.
2
k
ϕ
i
1
Момент инерции:
где
I mr=
r
I I I kI
2
– момент инерции от массы объекта манипулирования
,
на максимальном радиусе вращения;
I
– момент инерции вращающихся частей М при максимальном
радиусе переноса;
k
– коэффициент конструкции. Для существующих конструкций
ПР
2
, среднее значение
.
2
Тогда:
22
k mr
ω
2
M
=
è
i
.
k
ϕ
2
i
1
Момент неуравновешенный:
,
k
где
– коэффициент, учитывающий момент неуравновешенных
3
подвижных частей относительно оси вращения;
α – угол наклона плоскости вращения и горизонтальной плоско-
сти.
38
M
= + ⋅⋅ α
0α=
1
0,1k =
2
=
23
âð
10
.
i
mrP⋅ω
=
η⋅ϕ
íè
í
,êÂò,
FF
PV
+
=
η
í
è
è4
F k ma= ⋅⋅
4
k
4
=
2
2
è4
1
.
2
V
F km
kS
= ⋅⋅
2
2
ϕ
α=
í4
= ⋅ ⋅⋅ α
После подстановки значений
M
и
è
, и преобразований фор-
í
мула для вычисления мощности будет иметь вид:
mr k r
P kg
âð 3
⋅ ⋅ω ⋅ ⋅ω
η ⋅ϕ
2
ii
2
2
k
1
i
При вращении относительно вертикальной оси
и
2k
:
Мощность двигателя поступательного движения:
F
где
– сила, действующая на привод от неуравновешенных масс,
кН;
F
– инерционная сила, действующая в период разгона-тормо-
жения, кН.
Инерционная сила:
,
где
a – линейное ускорение, м/с
– коэффициент конструкции, учитывающий массу подвижных
2k
частей М, в среднем
;
2
.
sin .
и принимая
Линейное ускорение определяется по формуле:
Тогда:
Неуравновешенная сила достигнет максимального значения при
наибольшем угле наклона
akS=
2
39
2
V
2
.
1
:
sin .F k mg
F
Pg
= +⋅ α
ïîë
,
max
F
Pf=
max
После подстановки значений
F
и
í
формула для определения
è
мощности примет вид:
2
V
2
kS
1
sin .
n
k mV
⋅⋅
4
η⋅
2.3.4 Порядок расчетов гидро, пневмо и электроприводов
2.3.4.1 Гидравлический привод
Гидравлические и электрогидравлические приводы находят применение в подъемно-транспортных ПР грузоподъемностью от 10 кг и
выше, а также в технологических меньшей грузоподъемности.
В гидроприводах в качестве исполнительных двигателей используются гидроцилиндры с поступательным движением штока,
поворотные гидродвигатели и гидромоторы.
В качестве энергоносителя в гидросистемах используется мине-
2
ральное масло кинематической вязкостью 12…250 мм
/с со степенью
очистки не грубее 14 класса, диапазон рабочих температур 0°…+60° С.
Скорость перемещения исполнительных элементов гидродвигателей регулируется дросселями. С помощью электрогидравлического
привода можно осуществлять значительные (более чем на 2 метра)
перемещения захватного устройства.
Гидропривод с разомкнутым управлением.
Как говорилось выше, скорости движения исполнительных двигателей регулируются дросселями, а для перераспределения потока
жидкости система снабжается золотниковыми распределителями.
Порядок проектирования таких приводов, следующий:
– 1. Определяются значения максимальных нагрузок и скоро-
стей;
– 2. Рассчитываются рабочие давления;
Для гидроцилиндров давление определяется:
F
где
– нагрузка на гидроцилиндр;
f
– конструктивно принятое значение полезной площади
ïîë
гидроцилиндра, м2.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]