Лекція 9. Вимоги до приводів ПР. Вибір двигунів приводів

Як відомо, усі ЕП для металоріжучих верстатів підрозділяються на ЕП головного руху, подачі й допоміжних рухів. ЕП для ПР за своїми властивостями і вимогам, що ставляться до них, найбільш близькі до верстатних ЕП подачі.

Серед багатьох вимог, які ставляться до ЕП головного руху, подачі та промислових роботів, можна назвати основні, спільні для всіх названих ЕП, вимоги:

1. Номінальна потужність головних ЕП лежить у межах від 2 до 250 кВт; тривалий допустимий момент нерухомого ЕП подачі лежить у межах від 0,35 до 170 Нм, а такий же момент для ПР – від 0,035 до 70 Нм.

2. ЕП ПР, а також абсолютна більшість головних ЕП повинні бути реверсивною.

3. ЕП мають забезпечувати регулювання у діапазоні до 1000 для механізмів головного руху і до 10000 для ПР.

4. Для головного ЕП у верхній частині Др загального діапазону Д вимагається регулювання швидкості з постійною потужністю, а у нижній його частині – Дм – регулювання з постійним моментом (Дм = Д/Др). Реалізація значень Др ≤ 20 і більше при коробці швидкостей на 2–3 механічних ступенях вимагає регулювання швидкості електродвигуна за рахунок зміни магнітного потоку (Дф) у діапазоні від 3 до 5.

5. Для ЕП подачі в основному на всьому діапазоні вимагається регулювання швидкості з постійним моментом.

6. Точність регулювання ЕП, що визначається відносним відхиленням швидкості від заданого значення при зміні моменту навантаження від 0,15М_ном до М_ном, напруги мережі від 0,9U_ном до 1,1U_ном і температурі навколишнього середовища від 20^оС до 45^оС повинна бути не гірше від значень, наведених у таблиці 1.

Таблиця 1.

7. У системах із ЧПК, ЕП ПР, а також головні ЕП повинні забезпечувати режими позиціювання. Точність позиціювання може досягати 1–2 мкм, час позиціювання – 1–2 с. Перехідні процеси при позиціюванні повинні мати аперіодичний характер. У контурних системах ЧПК ЕП подачі верстата має забезпечувати і роботу у стежачому режимі.

8. ЕП повинні забезпечувати високу якість перехідних процесів при діях:

– з боку навантаження, якщо перехідні процеси пуску і гальмування досить не часті.

– як з боку навантаження, так і з боку задавання, якщо мають місце часті процеси пуску й гальмування (у верстатах із ЧПК загальний час пусків та гальмувань шпинделя може досягати 5–10% усього часу відпрацювання програми).

9. Для зниження динамічних ударів кінематика ЕП має забезпечувати плавність процесів пуску в момент вибору проміжку і реверса після “розкриття” проміжку.

10. Для забезпечення високої надійності обладнання ЕП повинні мати необхідні захисти і блокування, засоби сигналізації та діагностики.

До допоміжних ЕП вимоги не такі високі. У цих приводах не вимагається широкого регулювання швидкості й тому діапазон регулювання не перевищує 10; не завжди вимагається і висока швидкодія, але часто необхідні плавні процеси пуску та гальмування.

Перераховані вище вимоги задовольняють комплектні ЕП постійного і змінного струму. До складу комплектного ЕП уходять:

– електродвигун постійного або змінного струму із вбудованим (прибудованим) тахогенератором, для ЕП подачі ще й з датчиком шляху, електромагнітним гальмом та датчиком температурного захисту;

– напівпровідниковий (тиристорний або транзисторний) перетворювач, що включає силовий блок, блоки керування, живлення, захисту і діагностики;

– силовий трансформатор або струмообмежуючий реактор;

– комутаційні реактори у багатокоординатних ЕП при їх живленні від одного силового трансформатора;

– згладжувальний реактор;

– автоматичний вимикач або блок запобіжників.

Цей склад може змінюватися залежно від конкретного типу ЕП і способу виконання силового перетворювача.

9.1.Вибір двигунів приводів ПР.

Вихідні дані для вибору двигунів

При розрахунку приводів ПР задаються наступні основні дані:

Рис.9.1. Кінематична схема маніпулятора

Кінематична схема маніпулятора. Для прикладу прийнята антропоморфна кінематична схема триланкового маніпулятора з сімома ступенями рухомості (не рахуючи руху захвату), яка зображена на рисунку 9.1.

Силові приводи. Вони розташовуються у трьох шарнірах. Їх маси зосереджено у центрах шарнірів. Сила ваги вантажу прикладена до центра мас захвату.

Параметри маніпулятора:

1. Вантажопідйомність: G (Н).

2. Довжина ланок: ℓ₁, ℓ₂, ℓ₃ (м).

3. Маси ланок: m₁, m₂, m₃ (кг).

4. Моменти інерції ланок відносно поперечних осей, що проходять через центри мас: J₁, J₂, J₃ (кг/м²).

5. Відстань від центрів мас ланок до відповідних шарнірів (радіуси інерції): r₁, r₂, r₃ (м).

6. Максимальні кути повороту ступенів рухомості θ_jm (рад), j = 1,2…7.

7. Максимальні кутові швидкості ступенів рухомості у робочому режимі _jm (рад/с).

8. Максимальні кутові прискорення ступенів рухомості у робочому режимі _jm (рад/с).

Попередній вибір двигунів

Першим етапом розрахунку кожного привода є визначення орієнтовного значення необхідної максимальної миттєвої потужності двигуна Р_дм у робочому режимі. При цьому взаємний динамічний вплив приводів не враховується і приймають, що одночасно розвивається максимальне значення швидкості й прискорення у відповідному ступені рухомості. Тоді

Р_дм = М_дм×і× _jm,

де і – передавальне число редуктора;

М_дм – максимальне значення необхідного моменту двигуна, обчисленого за формулою

де η – ККД редуктора, J_мах – максимальне значення приведеного до цього ступеня рухомості моменту інерції механізму з приводами і вантажем (кг×м²), М_с.мах – максимальне значення приведеного до цього ступеня рухомості моменту опору від сил ваги ланок, приводів та вантажів (Н×м); J_д – момент інерції двигуна (кг×м²).

Як показала практика проектування, ККД редуктора можливо отримати не менше ніж 0,7. Це значення ККД і беруть при розрахунку. Обчислене значення J_м.мах, М_с.мах проводиться з урахуванням особливостей кінематичної схеми маніпулятора і граничних кутових переміщень ланок.

Для розглянутої антропоморфної кінематичної частини схеми, зображеної на рисунку 1, маємо:

1. Для 1–3 ступені в рухомості

J_мах = J₁ + m₁r₁² + m_п4ℓ₁² + J₂ + m₂(ℓ₁ + r₂)² + (m_п5 + m_п6 + m_п7)(ℓ₁ + ℓ₂)² + J₃ +

+ m₃(ℓ₁ + ℓ₂ + r₃)² + m₄(ℓ₁ + ℓ₂ + ℓ₃)²;

M_с.мах = g[m₁r₁ + m_п4ℓ₁ m₂(ℓ₁ + r₂) + (m_п5 + m_п6 + m_п7)(ℓ₁ + ℓ₂) + m₃(ℓ₁ + ℓ₂ + r₃) +

+ m₄(ℓ₁ + ℓ₂ + ℓ₃);

2. Для 4 ступеня рухомості

J_мах = J₂ + m₂r₂² + J₃ + m₃(ℓ₂ + r₃)² + m₄(ℓ₂ + ℓ₃)²;

M_с.мах = g[m₂r₂ + (m_п5 + m_п6 + m_п7)ℓ₂ + m₃(ℓ₂ + r₃) + m₄(ℓ₂ + ℓ₃);

3. Для 5–7 ступенів рухомості

J_мах = J₃ + m₃r₃² + J₃ + m₄ℓ₃²;

M_с.мах = g(m₃r₃ + m₄ℓ₃);

де g – прискорення вільного падіння (м/с²), m₄ – максимальне значення маси вантажу (кг); m_п4,m_п5,m_п6,m_п7 – маси приводів відповідних ступенів рухомості (кг).

Із рівнянь випливає, що для обчислення М_сm і J_мm привода 4–го ступеня рухомості необхідно знати маси приводів 5–7 ступенів рухомості, а для обчислення М_сm і J_мm привода 1–3 ступенів рухомості – ще й масу привода 4–го ступеня рухомості. Масу приводів указаних ступенів рухомості можна оцінити тільки після вибору двигунів приводів та типу редуктора. У зв’язку з цим порядок розрахунку буде, починаючи з останнього й далі, почергово, до першого. При цьому, як показала практика, при оціюванні мас приводів можна користуватися наступним наближеним співвідношенням: m_п ≈ (2–3)m_д, де m_д – маса двигуна привода, кг.

На початку розрахунку кожного привода його двигун іще не вибраний, і при визначенні М_дм можна прийняти J_д ≈ J_м.мах(ℓ²/η). Тоді

Далі за значенням Р_дм вибирають двигун з номінальною потужністю Р_дном ≈ (0,6–0,7) Р_дм. Тим самим наближено враховується, що режим роботи двигуна з максимальною потужністю займає лише половину циклу.

Якщо виявляється, що необхідна потужність забезпечується кількома двигунами, то вибирають двигун з меншою масою.