Введение в мехатронику

5.1 Систематика мехатронных модулей

Целью любой классификации является систематизация информации о некотором объекте в виде упорядоченной структуры для выполнения задач объективного (обеспечение полноты информации) и сравнительного (обеспечение информацией для сравнения) представления объекта. Использование иерархической структуры позволяет упростить поиск интересующей информации об объекте. Это позволяет создать эффективные информационно-поисковые системы на базе компьютерных баз данных.

Классификация характеризуется объектом, признаками классификации и их последовательностью. Согласно классификации создаются образы объекта. Поэтому для одного и того же объекта в зависимости от выбранных признаков и их последовательности, можно построить разные варианты иерархического дерева, т.е. несколько различных классификаций. Выбор предпочтительной классификации осуществляется исходя из требований решения определенной задачи.

На рис. 5.1 представлена, одна из известных, классификаций мехатронных модулей по конструктивным признакам.

В данной классификации выделено 3 признака достаточно полно характеризующих конструкцию мехатронных модулей (уровень интеграции, число степеней подвижности и вид движений), а также комплекс признаков (технические характеристики), определяющий функциональные возможности модулей.

Классификация мехатронных модулей предусматривает по уровню интеграции: модули движения, мехатронные модули движения и интеллектуальные мехатронные модули. По числу степеней подвижности – 1, 2, 3, и > 3. По виду движений – поступательные и вращательные.

Комплекс признаков технических характеристик включает: развиваемую силу и крутящий момент; величину, быстродействие и точность рабочего хода (линейного и углового).

Рассмотрим мехатронные модули согласно представленной классификации.

130

5.2 Преобразователи движения

Передача движения от двигателя к выходному звену мехатронного модуля может быть обеспечена с помощью различных преобразователей движения (передач), структура и конструктивные особенности которых зависят от типа двигателя, вида перемещения выходного звена и их расположения (компоновки).

Преобразователи движения предназначены для преобразования одного вида движения в другое, согласования скоростей и вращающих моментов двигателя и выходного звена. Для преобразования движения используют винтовые, реечные, цепные, тросовые передачи, а также передачи зубчатым ремнем, мальтийские механизмы и др. Так как электродвигатели в основном высокооборотные, а рабочие скорости выходных звеньев мехатронных модулей сравнительно невелики, то для согласования скоростей используют понижающие передачи (редукторы): зубчатые цилиндрические и конические, червячные, планетарные и волновые. Тип преобразователя движения выбирают, исходя из сложности его конструкции, коэффициента полезного действия, люфта в передаче, габаритных размеров и массы, свойств самоторможения, жесткости, удобства компоновки, технологичности, долговечности, стоимости и т. п. Выбор преобразователя движения оказывает существенное влияние на характеристики мехатронного модуля.

5.2.1 Реечные передачи

Реечная передача предназначена для преобразования вращательного движения шестерни в поступательное движение рейки и, наоборот, поступательного движения рейки во вращательное движение шестерни.

Основными звеньями реечной передачи являются шестерня и зубчатая рейка (рис. 5.2).

5.2.2 Планетарные передачи

Планетарными называют передачи, содержащие зубчатые колеса, оси которых подвижны, как показано на рис. 5.3. Движение этих колес сходно с движением планет и поэтому их называют планетарными или сателлитами.

132

шестерня

зубчатая рейка

Рис. 5.2. Реечная передача

Рис. 5.3. Планетарная передача

Простейшая планетарная передача состоит из центрального солнечного зубчатого колеса с наружными зубьями, центрального корончатого зубчатого колеса с внутренними зубьями, сателлитов с внешними зубьями, которые входят в зацепление одновременно с солнечным и корончатым колесами, и водила, на котором расположены оси сателлитов (см. рис. 5.3).

В современных мехатронных модулях планетарные зубчатые передачи находят широкое применение благодаря их компактности и малой массы, реализации больших передаточных отношений, малой

133

нагрузки на опоры, большого коэффициента полезного действия, высокой кинематической точности, жесткости и надежности.

При проектировании планетарных зубчатых передач следует учитывать и их недостатки: конструктивную сложность, повышенные требования к точности изготовления и монтажа, снижение коэффициента полезного действия при увеличении передаточного отношения.

В зависимости от порядка наложения связей на звенья планетарные передачи могут использоваться как для суммирования нескольких вращательных движений, так и для их разделения между несколькими ведомыми валами.

5.2.3 Волновые зубчатые передачи

Работа волновой передачи основана на принципе преобразования параметров движения вследствие волнового деформирования одного из звеньев механизма. Этот принцип впервые был предложен в 1944 году А.И. Москвитиным для фрикционной передачи с электромагнитным генератором волн, а затем в 1969 г. В. Массером для зубчатой передачи с механическим генератором волн. С точки зрения кинематики она представляет собой планетарную передачу, у которой одно из колес выполнено в виде гибкого венца.

Волновая зубчатая передача состоит из гибкого зубчатого колеса с наружными зубьями, жесткого зубчатого колеса с внутренними зубьями и генератором волн (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Волновая зубчатая передача

134

Недостатками волновых передач являются: ограничение по частотам вращения ведущего вала генератора волн при больших диаметрах колес (во избежание высокой окружной скорости генератора), мелкие модули зубьев колес, меньшая крутильная жесткость гибкого колеса сравнительно с обычной зубчатой передачи.

Волновые передачи могут работать в качестве редуктора (КПД 80...90 %) и мультипликатора (КПД 60...70 %). В первом случае ведущим звеном является генератор волн, во втором – вал гибкого или жесткого колеса.

5.2.4 Передача винт-гайка качения

Передача винт-гайка качения (шарико-винтовая передача) предназначена для преобразования вращательного в поступательное движение, и наоборот, поступательного во вращательное движение (при обеспечении отсутствия самоторможения).

Она характеризуется высоким КПД (0,9...0,95), малым коэффициентом трения-качения, небольшим износом, высокой точностью хода, долговечностью, возможностью полного устранения зазоров, высокой чувствительностью к микроперемещениям, возможностью работы без смазки.

Недостатками передачи являются: достаточно сложная технология изготовления, высокая стоимость, пониженное демпфирование

инеобходимость защиты от пыли.

Ввинтовых шариковых парах между рабочими винтовыми поверхностями винта и гайки (иногда вкладыша) помещены стальные шарики, как показано на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Винтовая шариковая пара

135

Для обеспечения непрерывной циркуляции шариков концы рабочей части винтовой поверхности соединены возвратным каналом. Возвратный канал может представлять собой отверстие, просверленное в теле гайки и соединяющее начало первого витка с концом последнего витка резьбы (см. рис. 5.5), изогнутую трубку, концы которой вставлены в отверстия гайки, просверленные по касательной к поверхности резьбы, специальный вкладыш, который направляет шарики из впадин одного витка через выступ резьбы винта во впадину соседнего витка. Вкладыш вставляют в окно гайки. В большинстве случаев в гайке применяют 3, 4 или 6 окон, расположенных соответственно под углом 120, 90 или 60 градусов.

5.2.5 Передача винт-гайка скольжения

Передача винт-гайка скольжения служит для преобразования вращательного в поступательное движение, а иногда и для преобразования поступательного во вращательное движение (при использовании многозаходной винтовой пары).

Передача состоит из винта и гайки, как показано на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Передача винт-гайка скольжения

Передача обладает простотой конструкции и изготовления, компактностью при высокой нагрузочной способности, высокой надежностью, плавностью и бесшумностью, возможностью обеспечения перемещений с большой точностью и выигрышем в силе.

Недостатками передачи являются: обязательное наличие зазоров (люфтов), повышенный износ резьбы и низкий КПД из-за большого коэффициента трения-скольжения.

136

5.2.6 Дифференциальная и интегральная передачи винт-гайка

Дифференциальная передача винт-гайка состоит из винта, имеющего два резьбовых участка с резьбами имеющими различный ход (Ph1 ≠ Ph2) и одного направления винтовой линии (правого или левого), гайки и стойки, как показано на рис. 5.7 (Ph1 < Ph2).

Рис. 5.7. Дифференциальная передача винт-гайка

При вращении винта гайка совершает поступательное результирующее движение: переносное движение вместе с винтом относительно стойки и движение относительно винта (см. рис. 5.7). Направление и величина перемещений гайки зависит от соотношения ходов резьб Ph1, Ph2 (у однозаходной резьбы шаг P и ход Ph одинаковы, а у многозаходной Ph = n·P, где n – число заходов резьбы).

Дифференциальная передача винт-гайка позволяет получить: при преобразовании вращательного движения в поступательное – малые линейные перемещения и скорости гайки при больших угловых перемещениях и скоростях винта, при преобразовании поступательного движения во вращательное – большие угловые перемещения и скорости винта при малых перемещениях и скоростях гайки (имеет место ограничение по углу самоторможения).

Шаг Рh2 резьбы винта и гайки и прочие параметры передачи определяют аналогично винтовым передачам скольжения и качения.

Интегральная передача винт-гайка устроена аналогично дифференциальной передаче, но имеет противоположные направления винтовой линии на двух резьбовых участках винта.

137

5.2.7 Передачи с гибкой связью

Передачи с гибкой связью предназначены для передачи вращательного движения и преобразования поступательного во вращательное движение и наоборот вращательного в поступательное движение.

К передачам с гибкой связью относят ременную, цепную, тросовую передачи и передачу стальной лентой.

Некоторые примеры передач вращательного движения представлены на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Передачи с гибкой связью

5.3 Направляющие

Направляющими называют конструктивные элементы устройства, обеспечивающие заданное относительное движение элементов механизма.

Вмехатронных модулях в основном применяют направляющие для поступательного движения. Их используют при необходимости осуществления перемещения одной детали относительно другой с заданной точностью.

К направляющим предъявляют следующие требования: обеспечение плавности перемещения, малые силы трения, большой ресурс работы, износостойкость, способность к перемещению в широком температурном диапазоне.

Взависимости от вида трения различают направляющие с трением скольжения и качения. Выбор типа направляющих и

138

конструктивных схем зависит от их назначения, а также от требований к точности направления перемещения, допускаемой нагрузки, значений сил трения, стоимости изготовления.

Направляющие с трением скольжения и качения по характеру (виду) воспринимаемой нагрузки различают открытые и закрытые. К открытым относят направляющие, у которых для замыкания силовой цепи используют дополнительные прижимные усилия (масса подвижной детали, усилие плоской или спиральной пружины, мембраны). Закрытыми являются направляющие, у которых подвижный узел имеет одну степень свободы (замыкание силовой цепи обеспечивается конструктивным исполнением).

Направляющие в зависимости от формы выполнения рабочих поверхностей делят на цилиндрические, призматические (например, типа «ласточкин хвост»), Н-, П- и Т-образные.

5.3.1 Направляющие с трением скольжения

По конструктивному исполнению направляющие с трением скольжения проще направляющих с трением качения и меньше их по габаритным размерам. При соответствующем выборе материалов они испытывают незначительное влияние температурных перепадов. Основной их недостаток – относительно большие потери на трение.

Пример, конструктивной схемы призматической открытой направляющей с трением скольжения приведен на рис. 5.9 б, где по цилиндрическим направляющим, закрепленным на неподвижном основании, перемещается каретка с призматическими рабочими поверхностями.

Рис. 5.9. Направляющие с трением скольжения

139