Приводы промышленного робота

Для осуществления необходимых движений промышленный робот оснащается приводами. Приводные устройства связываются с кинематическими звеньями манипулятора и осуществляют их перемещения под управлением программы. Для контроля перемещений используются соответствующие датчики, которые также связываются с кинематическими звеньями. Приводные устройства в зависимости от используемого вида энергии делятся на пневматические, гидравлические и электромеханические.

Пневматические привода реализуются с использованием пневматичес­ких цилиндров возвратно-поступательного или вращательного перемещения, реже ис­пользуются ротационные пневмодвигатели. Пневмопривод обеспечивает высокие скорости движения (до 2 м/с), прост по конструк­ции и дешев, может работать во взрывоопасных и запыленных средах, од­нако пневмопривод обладает малой нагрузочной способностью и не может быть использован в промышленных роботах с позиционным принципом уп­равления.

Пневматический привод используется в малых и средних роботах с цикловыми системами управления и позиционированием по упорам. В при­воде используются пневматические цилиндры, пневматические порш­невые поворотные двигатели, а также специальные виды приводов. Питание пневмопривода осуществляется от заводских сетей сжатым возду­хом.

Гидравлический привод основан на применении гидроцилиндров и гидродвигателей. Этот привод компактен, обладает высокой нагрузочной способностью и жесткостью, что позволяет создавать манипуляторы с по­зиционным и следящим принципом управления. В то же время гидропривод сложен и дорог. Для питания гидропривода используются локальные гид­ростанции, что дополнительно усложняет и удорожает привод.

Гидропривод обеспечивает большой диапазон рабочих нагрузок робота (1..100000) Н, высокую точность позиционирования
(+ 0,01...2,0) мм, широкий диапазон скоростей рабочих органов (15...2000) мм/с или (3...180) град/с, высокую удельную мощность (0,1...0,6) кВт/кг, высо­кую жесткость до 5000 Н/мкм и ряд других преимуществ. Рабочее дав­ление жидкости лежит в пределах (14...21) МПа.

Электрический привод наиболее универсален и строится с исполь­зованием: двигателей постоянного тока с гладким и печатным якорем, с высокоэнергетическими постоянными магнитами; двигателей перемен­ного тока; электромагнитов; линейных двигателей и шаговых двигате­лей. Электрический привод обладает широкими возможностями регули­рования скорости перемещений, легко совместим с системами ЧПУ, обе­спечивает высокую точность позиционирования и не создает сложнос­тей в снабжении энергией. В то же время электропривод имеет слож­ное схемное и конструктивное решения и, как правило, требует приме­нения различных редукторов и передаточных механизмов.

Наиболее целесообразно в промышленных роботах использовать ком­плектные регулируемые электроприводы, включающие: преобразователь энергии (транзисторный или тиристорный), исполнительный двигатель, передаточный механизм, тахогенератор, силовой трансформатор, дрос­сели и встроенный тормоз. Комплектный дискретный электропривод включает: шаговый двигатель; коммутатор фаз; задатчик скорости; блок питания и форсировки.

При использовании привода вращательного движения механическую систему манипулятора можно описать уравнением идеализированной машины

,

где J – приведенный к валу машины момент инерции движущихся час­тей, w – угловая скорость вала, M_д – момент движущих сил, М_с – мо­мент сил сопротивления. Или в линеаризованном виде

,

где w(t) – отклонение угловой скорости, x(t) – отклонение влияющего параметра, t – время.

Если между валом двигателя и перемещаемой массой имеются упру­гие элементы, то целесообразно использовать в качестве модели двухмассовую систему. При этом одна масса сосредоточена на валу двига­теля, вращается со скоростью w₁ и обладает моментом инерции J₁, другая отделена от вала двигателя упругим элементом (возможна при этом и типовая нелинейность "зона нечувствительности"), вращается со скоростью w₂ и имеет момент инерции J₂. Все величины, характеризующие движение механических элементов, должны быть приведены к скорости приводного двигателя. Движение системы опишется системой уравнений

где M_д –момент движущих сил, М_с – момент сил сопротивления, М_упр – момент упругого элемента, C – коэффициент жесткости упру­гого элемента, j_1, j₂ – углыповорота приводного и приемного валов. При наличии линейно движущихся частей их можно привести к осям вращения

,

где М, J – приведенный момент сил и момент инерции; F, m – сила сопротивления и масса поступательно движущейся части; V, w – линей­ная и угловая скорости; h – к.п.д. механической передачи от вра­щательного движения к поступательному.

При использовании пневматического или гидравлического цилиндра уравнение движения поршня

где l – перемещение поршня; Р₁, Р₂, Р_а – давление в рабочей, выхлопной полостях и атмосферное; S₁ , S₂, S_ш – площади поршня и штока; F_н – суммарная нагрузка; t – время.

Изменение давления в рабочей и выхлопной полостях цилиндра

где, , , Р₀ – давление в сети; k, R – показатель адиабаты и газовая постоянная; Т₁₀, T₂₀, P₁₀, Р₂₀ – температура и давление в поршневой и штоковой полостях пневмоцилиндра; G₁,G₂ – массовый расход воздуха, поступающего в поршневую и штоковую полос­ти пневмоцилиндра; X₀, X, S – начальная, текущая координаты пор­шня и полный путь.

Пример конструктивной схемы электропривода поступательного дви­жения (например, для руки манипулятора) показан на рис. 57. Выход­ным элементом является шток 1, имеющий направляющие для поступательного (без вращения) перемещения вкорпусе 2. Шток имеет гайку, на­винченную на ходовой винт 3, который вращается в подшипниках без осевого смещения, и через муфту 5 соединен с валом приводного элек­тродвигателя 6. Ограничение перемещений штока 1 осуществляется механизмом конечных выключателей 4 (на рис. 57 показано упрощенно).

Схема пневмо- или гидропривода поступательного перемещения с разомкнутой системой управления показана на рис. 58. Поступательно перемещается шток 1цилиндра 2. Управление движениями штока осуще­ствляется распределителем 3. Скорость перемещения задается дрос­селем на выхлопной магистрали. Величина перемещений ограничивает­ся упорами, воздействующими на перемещающуюся часть (на схеме не показаны). Привод приме­ним при цикловом управле­нии.

В случае позиционного управления, когда необхо­димо обеспечить остановку штока в любой заданной точке диапазона перемеще­ний, может использоваться следящий привод, схема которого показана на рис. 59. Со штоком пневмоцилиндра 1 соединен ползун 2, снабженный пневматическим тормозом, приводимым от пневмоцилиндра 5 . Перемещение штока через кинематическую передачу воспринимается датчиком обратной связи 3, соединенным с блоком управления 4.

При подходе подвижной части к точке позиционирования, определяемой датчиком 3, система управления подает встречное давление в цилиндр, и скорость движения подвижного органа снижается до "ползучей", составлявшей 5..10 %от номинальной. Фиксация подвижного органа в точке позиционирования осуществляется тормозным устройством за счет включения тормозного пневмоцилинд­ра 5.