3. Исполнительные приводы роботов

3.1. Основные требования и классификация приводов

Исполнительные приводы выполняют функции мышечной системы роботов. Привод промышленного робота включает в себя двигатель, систему управления, передаточные механизмы, тормозные устройства, датчики обратной связи и коммуникации, необходимые для передачи энергии к приводам и для передачи сигналов управления и обратной связи.

Развитие приводов робота шло по пути совершенствования известных ранее приводных устройств для выполнения более сложных работ в рамках единой исполнительной системы. Так, в первых роботах двигатель привода размещался за пределами манипулятора, а силовые воздействия передавались (с помощью тросов или зубчатых передач) на соответствующие звенья механической руки. Сейчас, в основном, все конструкции роботов снабжены приводами, размещенными непосредственно на звеньях манипуляторов. Такое расположение особенно выгодно для приводов небольшой мощности, т.е. при небольшой грузоподъемности робота.

К приводам исполнительных устройств робота по сравнению с приводами для других видов техники предъявляется ряд специфических требований: минимальные габаритные размеры и высокие энергетические показатели, обеспечивающие большую величину отношения выходной мощности к массе; возможность работы в peжиме автоматического управления и регулирования с обеспечением оптимальных законов разгона и торможения при минимальном времени переходных процессов; быстродействие; малая погрешность позиционирования. Традиционными для всех типов приводов являются требования надежности, простоты конструкции и эксплуатации, низкой стоимости.

Исполнительные приводы роботов классифицируют прежде всего по типу используемого силового элемента (двигателя). В зависимости от используемого вида энергии приводы подразделяют на гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные.

Известны также и другие признаки классификации приводов (по принципу действия, по виду обратной связи, по характеру управляющего сигнала). Классификация приводов ПР приведена на рис. 3.1.

Целесообразность применения того или иного привода всегда является задачей, где приходится рассматривать многие аспекты, а именно: технические характеристики, условия эксплуатации, стоимость, массовость применения, ресурс и др. Как показывает практика, в настоящее время около 40 % всех современных роботов имеют электрический привод, 40 % - пневматический и 20 % -- гидравлический.

В последние годы происходит быстрое увеличение числа роботов, основанных на электроприводах. Гидравлический привод используется в промышленности при грузоподъемности более 25-30 кг, пневматический и электрический - до 25-30 кг.

Характер проектирования приводов ПР существенным образом зависит от закладываемых схемных решений, так как они определяют не только будущую конструкцию привода, но и его принцип действия, методику расчетных работ. Поэтому представляется целесообразным классифицировать исполнительные приводы роботов по принципу действия. Различают приводы разомкнутые (без обратной связи между выходным сигналом и управляющим воздействием) и замкнутые (с обратной связью).

В последнем случае имеем дело с системой автоматического управления, в которой выходная величина с помощью обратной связи воспроизводит с определенной точностью входную величину, характер изменения которой заранее неизвестен. Такие системы обычно называют следящими системами, а применительно к приводам - следящими системами исполнительных приводов или просто системами приводов робота.

По виду обратной связи системы приводов роботов можно подразделить на четыре основных типа: позиционные, скоростные, силомоментные и комбинированные. Системы приводов позиционного типа предназначены для отработки звеньями манипулятора непрерывно меняющегося входного напряжения» Достоинствами систем этого типа являются значительное усиление механической мощности при отсутствии реакции на задающее устройство, малые значения статической и динамической ошибок системы, высокая надежность и т.д.

В скоростных системах сигнал ошибки управляет скоростями звеньев или рабочего органа манипулятора, а в системах с управлением по усилию - разностью давлений в силовом элементе. Комбинированные следящие системы приводов представляют собой сочетание, например, позиционной и скоростной систем, работающих на одно звено. Комбинированными называют также системы, объединяющие в себе замкнутый и разомкнутый контуры.

Все многообразие следящих приводов, независимо от их построения, в зависимости от характера управляющих сигналов, передаваемых от одного элемента системы к другому, можно подразделить на четыре основные класса:

-- непрерывные, в которых сигналы на входе и на выходе всех элементов системы привода представляют собой непрерывные функции;

-- импульсные (или с квантованием по времени), в которых сигнал на выходе по крайней мере одного из элементов системы представляет собой последовательность импульсов, амплитуда, длительность или частота повторения которых зависят от сигнала на входе этого элемента в отдельные (дискретные) моменты времени;

-- релейные (или с квантованием по уровню), в которых сигнал на выходе по крайней мере одного из элементов системы изменяется скачком всякий раз, когда сигнал на его входе проходит через некоторые фиксированные значения, называемые пороговыми;

-- релейно-импульсные или кодово-импульсные, в которых происходит квантование сигнала как по времени, так и по уровне.

К кодово-импульсным относятся системы, содержащие в своем контуре цифровые вычислительные устройства, такие кодово-импульсные системы называют цифровыми.

Требования к следящим системам приводов робота, относящихся к системам автоматического управления, можно подразделить на четыре категории: требования к запасу устойчивости системы; к величине ошибок в установившемся состоянии или к статической точности; к поведению системы в переходном процессе (эти требования обычно называются условиями качества); к динамической точности системы, т.е. к величине ошибок при наличии непрерывно изменяющихся воздействий.

Создание следящих систем исполнительных приводов, удовлетворяющих этим требованиям, является задачей динамического синтеза следящих систем, решаемой методами теории автоматического управления.