2.7 Влияние электромеханизмов на компоновку и конструкцию технологического оборудования

Набор универсальных мехатронных модулей различных типоразмеров позволяет активно влиять на компоновку оборудования, а в ряде случаев создавать нетрадиционные уникальные компоновки. Например, в 1980 г. в содружестве с ДЗФС создан станок мод. ДФ-320, имеющий полностью модульную компоновку (рисунок 2.15).

Рисунок 2.15 – Компоновка станка мод. ДФ-320 ДЗФС.

Применение прямоходных ЭМ 1, 4 и 5, электрошпинделя 2 и безредукторного поворотного стола 3 позволило повысить класс точности, снизить трудоемкость изготовления втрое, а материалоемкость — в 1,7 раза, а также расширить технологические возможности за счет пятисторонней обработки деталей с одной установки.

В 1985 г. в НГТУ создан универсальный электромеханический силовой модуль (УЭСМ), который содержит основание, рабочий орган и привод на базе прямоходных ЭМ, причем их винты и корпусные детали соединены соответственно с рабочим органом и основанием с помощью двухстепенных шарниров. Таким образом, изменение положения рабочего органа в пространстве осуществляется соответствующим изменением длин механизмов подачи в результате поступательного перемещения винтов ЭМ. Особенностями конструкции УЭСМ являются замкнутая кинематическая цепь; отсутствие направляющих и использование механизмов подачи в качестве несущих элементов конструкции; небольшое число последовательных кинематических пар (стыков); применение ЭМ, а также современных УЧПУ и специального программного обеспечения.

Лист

2.8 Мехатронный обрабатывающий комплекс "Каскад"

В Смоленском НПО "Техноприбор" создан комплекс технических средств "Каскад", предназначенный для построения перепрограммируемых манипуляторов с пневмоприводом, и на его основе разработан учебно-лабораторный комплекс (УЛК). В комплексе "Каскад" реализованы новые решения исполнительных модулей с аккумуляторами механической энергии и ходом до 1 м, механизмов промежуточных упоров (их устанавливают на модули для организации дополнительных программируемых точек позиционирования), демпфирующих устройств для модулей с традиционным пневмоприводом и др. Все это позволило, по сравнению с гаммой модулей роботов серии ПР5-2 (предшественниками комплекса "Каскад"), увеличить максимальные перемещения и число промежуточных точек позиционирования модулей, расширить их номенклатуру и улучшить потребительные качества манипуляторов.

УЛК предназначен для изучения принципов действия и построения перепрограммируемых манипуляторов с пневмоприводом, основ их управления и программирования, приобретения практических навыков по сборке, настройке и измерению их основных технических характеристик, проведению исследований и испытаний. УЛК имеет блочно-модульную структуру, что позволяет потребителю выбрать оптимальный вариант заказа. Основным отличием УЛК от известных учебных систем робототехники является то, что он состоит из реальных исполнительных, управляющих, вспомогательных модулей и метрологически аттестуемых неавтоматизированных и автоматизированных средств измерений.

Составные части (элементы) комплекса "Каскад" изображены на рисунке 2.16, а основные технические характеристики модулей приведены в таблицах 2.9, 2.10.

Заметим, что погрешность позиционирования у всех модулей линейных перемещений одинакова и составляет ± 0,05 мм, а у модулей угловых перемещений зависит от типоразмера модуля.

Лист

Рисунок 2.16 - Элементы комплекса "Каскад":

1 - исполнительный модуль линейных перемещений типа ИМЛ-32; 2 - то же типов ИМЛ-31 и ИМЛ-50; 3 - типа ИМЛ-30; 4 - типа ИМЛ-20; 5 - типа ИМЛ-10; 6 - типа ИМЛ-07; 7 - типа ИМЛ-11; 8 -исполнительные модули угловых перемещений типов ИМУ-21 и ИМУ-30; 9 - то же типа ИМУ-20; 10 - управляемый упор типа УП-30 (для модулей ИМЛ-32); 11 - то же типов УП-20 и УП-21 (для модулей ИМЛ-31 и ИМЛ-50); 12 - захватные устройства; 13 - микропроцессорный командоаппарат МКА.

Таблица 2.9 – Техническая характеристика модулей линейных перемещений.

* Пять типоразмеров; ** Три типоразмера; *** Шесть типоразмеров; **** Восемь типоразмеров; схема с аккумуляцией механической энергии.

Лист

Таблица 2.10 – Техническая характеристика модулей угловых

Примеры обозначения модулей: ИМЛ-20-50 — исполнительный модуль линейных перемещений типа ИМЛ-20 с максимальным перемещением 50 мм; ИМЛ-20-125 - то же, 125 мм; ИМУ-21-260 - исполнительный модуль угловых перемещений типа ИМУ-21 с максимальным перемещением 260°.

Рассмотрим конструктивные особенности и кинематику исполнительных и вспомогательных модулей комплекса. Устройство, принцип работы и возможности микропроцессорного командоаппарата МКА, управляющего (через пневмораспределители) работой модулей, известны.

"Нетрадиционный" линейный модуль ИМЛ-32 с пневмоприводом и аккумуляторами механической энергии (рис. 2) содержит основание / с направляющими качения, по которым перемещается подвижное звено 6, взаимодействующее с упругим элементом 3 аккумулятора механической энергии. Для повышения надежности фиксации и исключения отскока подвижного звена его управляемый фиксатор выполнен в виде двух подвижных собачек 9 с приводом 8 их перемещения и зубчатой рейки 10, связанной с выходным элементом (штоком) привода 11 подвижного звена. Конструктивно рейка имеет вид цилиндрического наконечника с кольцевыми проточками (зубьями).

Упоры 4 точек позиционирования, упоры 2 упругого элемента 3 и собачки со своим приводом размещены в едином корпусе 7, причем последний может перемещаться с помощью силового привода 6 по направляющим качения. Силовой привод выполнен на базе обычного пневмоцилиндра и представляет собой управляемый упор УП-30 (см. поз. 10 на рис. 1). Реализация силового привода возможна также на базе привода шаговой подачи, следящего пневмопривода и т. п. При необходимости модуль ИМЛ-32 может быть снабжен датчиком фиксации.

Рассмотрим работу модуля. В положении, показанном на рисунке 2.17, подвижное звено находится в правой крайней позиции, привод 11 прижимает его к упору 4 посредством собачки и зубчат/эй рейки. При этом упругий элемент аккумулятора сжат и вся система обладает запасом потенциальной энергии.

Лист

Когда на привод собачки поступает команда на выполнение движения, освобожденное подвижное звено под действием упругого элемента начинает разгоняться. После прохождения свободного участка пути это звено начинает взаимодействовать с соответствующим упругим элементом и тормозится.

Одновременно с подачей команды на освобождение подвижного звена правым фиксатором привод 11 перемещает зубчатую рейку влево (в сторону движения подвижного звена) и левая собачка через свою зубчатую рейку фиксирует подвижное звено. Затем поступает команда на привод 11, который доводит подвижное звено до точки позиционирования. При этом дополнительно деформируется упругий элемент и восполняются потери энергии на трение.

Рисунок 2.17 - Кинематическая схема (а) и внешний вид (б) длинноходового модуля линейных перемещений ИМЛ-32 с пневмоприводом и аккумуляторами механической энергии.

Эти потери при различных перемещениях подвижного звена не являются постоянной величиной. Поэтому одна из частей фиксатора выполнена в виде зубчатой рейки, что позволяет перемещать подвижное звено с запасом и фиксировать его по ближайшему, уже пройденному зубу, благодаря чему отскок подвижного звена не превышает шага рейки.

Опыт показывает, что при перемещениях подвижного звена на длину от 500 до 1000 мм дополнительная деформация упругого элемента и соответственно ход привода 11 составляет 10—20 мм. Заметим, что именно способ "подкачки" энергии в конце хода подвижного звена и использование управляемого механизма одностороннего действия для его фиксации являются отличием конструкции модуля ИМЛ-32 от известных систем с аккумуляторами механической энергии.

Лист

При необходимости вместо аккумуляторов механической энергии на корпус 7 можно установить так называемые демпферы-толкатели, т. е. пневмоцилиндры с ходом 70—100 мм, оснащенные дросселями. В этом случае система уже не может аккумулировать энергию, но зато появляется возможность изменения силы "толкания" и характеристик торможения подвижного звена.

Описанная конструкция модуля ИМЛ-32 позволяет получить до четырех программируемых точек позиционирования. Обеспечивается подход подвижного звена к любой из этих точек с одной стороны без перебега. После позиционирования в промежуточной точке подвижное звено может продолжать движение как в прямом, так и в обратном направлении. При использовании двух упругих элементов в 2 раза уменьшается число циклов работы каждого из них, а при их различных характеристиках модуль может работать в наклонном положении (по отношению к горизонтали) и даже в вертикальном положении. В последнем случае достаточно иметь лишь один упругий элемент, установленный в нижней части модуля. В конструкции модуля использованы коротко-ходовые пневмоцилиндры вместо длин неходовых, что значительно снижает его стоимость.

Устройство исполнительных модулей с традиционным пневмоприводом показано на примерах модулей ИМЛ-20 линейных перемещений (рисунок 2.18 а) и ИМУ-21 угловых перемещений (рисунок 2.18 б). Не вдаваясь в подробности, укажем лишь, что шток 9 пневмоцилиндра модуля линейных перемещений выполняет функцию основной направляющей. Для уменьшения зазоров в его опорах скольжения направляющие втулки 10 последних индивидуально притирают к штоку. Опоры дополнительной направляющей 11 для исключения заклинивания имеют возможность самоустановки, а зазоры в них устраняются регулировочными' элементами с помощью разрезных опорных втулок.

Модули угловых перемещений имеют одинаковую кинематику и выполнены на базе зубчато-реечной передачи, преобразующей перемещение поршня пневмоцилиндра в угловое перемещение выходного звена модуля.

Торможение подвижного звена модулей типов ИМЛ-31, ИМЛ-50, ИМУ-21 и ИМУ-30 в конце рабочего хода осуществляется автономными пневматическими демпферами (рис. 4) одностороннего действия. Принцип работы демпфера основан на сжатии (в течение рабочего хода поршня)

воздуха, заключенного в полости демпфера, и последующего рассеяния энергии в процессе истечения воздуха через регулируемое дросселирующее отверстие. Для возврата поршня демпфера в исходное положение предусмотрены пружина и обратный клапан. Упор, определяющий точку позиционирования выходного звена модуля, и упор, взаимодействующий со штоком демпфера, разделены и выполнены

Лист

регулируемыми.

Ρисунок 2.18 – Схемы исполнительных модулей линейных и угловых перемещений с традиционным пневмоприводом: а -модуль ИМЛ20 (1 - дроссель для регулирования скорости; 2 - корпус; 3 - амортизатор из пористой резины; 4 ~ задняя плата; 5 - регулируемый упор; 6 - неподвижный упор; 7 -полиуретановый амортизатор; 8 - поршень; 9 - шток; 10 -направляющая втулка; 11 - дополнительная направляющая; 12 - передняя плата); б - модуль ИМУ-21 (1 - поворотный диск; 2 - подвижный упор; 5 - дроссель для регулирования скорости; 4 - пневматический демпфер; 5 - гильза цилиндра; 6 - поршень; 7 - планка; 8 - вал-шестерня; 9 - зубчатая рейка; 10 - регулируемый упор; 11 - упор демпфера; 12 - держатель упора).

Рисунок 2.19 – Схема пневматического демпфера одностороннего действия: 1 - полиуретановая пята; 2 — возвратная пружина; 3 - шток; 4 - поршень; 5 - обратный клапан; 6 - корпус; 7 — стопорный винт; 8 — вкладыш; 9 — дросселирующий винт.

Лист