|
|
Энергоносителем в этом приводе
является электрический ток, посредством которого обеспечиваются передача
энергии и ее преобразование в механическую энергию выходного звена
электродвигателя, передающего движение через те или иные передаточные
механизмы исполнительным звеньям манипулятора.
Электропривод применяют в роботах с широким диапазоном
грузоподьемностей - от долей до сотен килограммов - и выполняют обычно в виде
следящего привода с позиционной или контурной системами управления.
Доступность энергоносителя, легкость регулирования, высокие надежность и КПД,
а также простота обслуживания делают его наиболее перспективным для широкого
использования особенно в промышленных роботах
По уровню автоматизации различают электроприводы:
неавтоматизированный с ручным управлением, автоматизированный с
автоматическим регулированием параметров, автоматический, управляемый
полностью от автоматического устройства В роботах применяются
автоматизированный и автоматический электроприводы.
По степени управляемости электроприводы делятся на а)
нерегулируемый, обеспечивающий движение рабочего органа робота с одной
рабочей скоростью, б) регулируемый, позволяющий изменять скорость рабочего
органа и параметры привода под воздействием управляющего устройства, в)
программно-управляемый, выполняющий действия в соответствии с заданной
программой, г) следящий, автоматически отрабатывающий перемещение рабочего
органа с определенной точностью в соответствии с сигналами обратных связей по
положению звеньев манипулятора, д) адаптивный, автоматически избирающий
структуру или параметры системы управления при изменении условий работы
робота с целью обеспечения оптимального режима.
К электроприводам роботов предъявляют специфические
требования: 1) жесткие механические характеристики электродвигателей в связи
с работой электропривода в условиях резко изменяющихся моментов инерции
звеньев манипулятора при работе робота, 2) повышенную точность отработки
сигналов и наличие средств блокировок в связи с опасностью движущихся звеньев
манипулятора для людей и оборудования, находящихся в рабочей зоне, при
возникновении неисправностей в срабатывании электропривода, 3) повышенную
электрозащищенность роботов, особенно подвижных.
Многообразие производственных процессов требует различных
видов и характеров движения рабочих органов ПР, а следовательно, и
электропривода, который может обеспечивать вращательное и поступательное
однонаправленное и реверсивное движения. Вращательное движение осуществляется
электродвигателями различных исполнений, поступательное - использованием
электродвигателей вращательного движения совместно с передаточными
механизмами, либо специальных электродвигателей поступательного движения
(линейных, магнитогидродинамических и пр.).
Первый коммерческий промышленный робот с
электроприводом был создан и применен .лишь в 1974 г. шведской корпорацией "ASEA", при этом были использованы электродвигатели
постоянного тока, главным образом, из-за возможности удобного и легкого
управления ими с помощью сравнительно простой электроники. В роботах нашли
применение в основном следующие конструктивные разновидности электроприводов:
с двигателями постоянного тока с аналоговым или цифровым управлением, с
асинхронными двигателями как нерегулируемыми (с цикловым управлением), так и
регулируемыми с частотным управлением, с шаговыми электродвигателями.
В настоящее время в электроприводах роботов используются
преимущественно электродвигатели постоянного тока, благодаря их хорошей
управляемости и возможности построения следящего привода. Как известно,
двигатель постоянного тока состоит из неподвижного статора с постоянным
магнитом и обмоткой, по которой протекает ток возбуждения iB, называемый
индуктивным, и вращающегося якоря с обмотками, по которым протекает ток /я,
создающий основное магнитное поле. Выводы от обмоток якоря присоединены к
расположенному на валу якоря коллектору.
Взаимдействие магнитных полей полюсов статора и обмоток
якоря при их своевременном переключении с помощью коллекторных щеток
обеспечивает постоянно направленный вращающий момент. Управление скоростью
осуществляется изменением подаваемого на обмотки напряжения: чем оно выше,
тем быстрее вращается якорь. Аналогично крутящий момент зависит от изменения
величины тока, поэтому требуемое для работы манипулятора регулирование
скоростей движений и моментов в широком диапазоне осуществляется достаточно
просто путем изменения напряжения якоря ия или тока возбуждения /в. Изменение
направления вращения производится сменой полюсов посредством переключений.
Электромагнитное возбуждение может быть независимым, параллельным,
последовательным или смешанным.
Схема и механические характеристики электродвигателя с
независимым возбуждением и управлением по напряжению якоря, а
электродвигателя с независимым возбуждением и управлением по току возбуждения
- на 7.11. Механические характеристики электродвигателей () позволяют судить,
о возможностях изменения частоты вращения двигателя ыд и момента Мд в
зависимости от управляющих величин - напряжения в цепи якоря ия и тока в
обмотке возбуждения 1В.
Совершенствование методов управления скоростью и реверсом
электродвигателей постоянного тока привело к широкому использованию в
последние годы тиристорного управления с помощью вентильных (тиристорных)
преобразователей, имеющего преимущество перед другими способами управления.
Использование тиристоров - управляемых полупроводниковых диодов - позволило
создать бесконтактные (бесколлекторные) электродвигатели постоянного тока .
Асинхронные двигатели переменного тока, двухфазные и
трехфазные, получили очень широкое применение в промышленности, благодаря
многим преимуществам: простоте и надежности из-за отсутствия коллектора,
низкой стоимости, значительно меньшим массе и габаритным размерам по
сравнению с двигателями постоянного тока. Применение их в робототехнике, хотя
и перспективно, но пока сдерживается из-за трудностей управления ими в
широком диапазоне скоростей.
Статор двухфазного асинхронного двигателя (* 7.13) имеет
две обмотки - возбуждения (ОВ) и управления (ОУ), питаемые переменным током с
напряжениями UB и Uy, сдвинутыми по фазе на л/2. В результате создается
вращающееся магнитное поле, почти с той же скоростью увлекающее за собой
ротор, оснащенный короткозамкнутой либо фазной обмоткой. В таком двигателе
изменение напряжения не влияет на скорость вращения, а наиболее простым
способом ее регулирования является изменение частоты переменного тока.
Изменение направления вращения двигателя можно получить путем сдвига по фазе
на л напряжения обмотки возбуждения. Изменение частоты переменного тока для
асинхронного двигателя до недавнего времени было затруднено. Однако благодаря
развитию современных электронных устройств, способных оперировать с
достаточно высокими мощностями, появилась возможность легко генерировать
меняющиеся частоты, соответствующие требуемым скоростям. Такие электродвигатели
уже выпускаются, а японская фирма "Fujitsu Fanuc" уже использует их
в конструкциях серийно выпускаемых промышленных роботов.
Шаговые электродвигатели очень удобны для
применения в приводах роботов, поскольку не требуют датчиков обратной связи
для регулирования положений звеньев. Такие двигатели позволяют с высокой
точностью преобразовывать цифровые электрические
сигналы непосредственно в дискретные угловые перемещения
(шаги) ротора.
По принципу действия шаговый двигатель относится к
двигателям синхронного типа: в нем существует связь между сигналом питания и
положением ротора. Благодаря периодическим переключениям обмоток статора, его
магнитодвижущее поле, поворачиваясь на определенный угол (шаг), производит
поворот на такой же определенный угол ротора двигателя, представляющего собой
постоянный магнит либо переменное магнитное сопротивление. Таким образом
можно заставить вращаться вал с высокой скоростью, в любой момент зная его
положение. В сложных моделях выходной вал может поворачиваться и фиксироваться
в любом из двухсот различных угловых положений за оборот, т. е. менее двух
градусов за шаг.
Это делает шаговые двигатели идеальными для обучения
роботов. К недостаткам шаговых электродвигателей относятся неустойчивость
вращения при ускорении и торможении, высокая стоимость и малая мощность. Для
тяжелых промышленных роботов шаговые двигатели пока слишком дороги и
маломощны, даже самые большие имеют мощность менее 1 л. е., поэтому шаговые двигатели требуют значительного совершенствования, чтобы конкурировать с
двигателями постоянного тока.
Весьма перспективны для применения в конструкциях роботов
линейные электродвигатели, которые в отличие от традиционных электромоторов
создают непосредственно линейное движение. Они могут рассматриваться как
двигатели переменного тока, у которых "разрезали" а затем
"развернули" на плоскости статорную сторону. Управляя полярностью
обмотки, можно заставить сердечник скользить вдоль пути с высоким качеством
управления. Линейные двигатели не требуют ни подшипников, ни передаточных
механизмов, что является их важным преимуществом. Кроме того, они обладают
высокими динамическими характеристиками, очень быстро набирают ускорение и
могут передвигаться со скоростью около 1 м/с. Однако линейные
электродвигатели промышленного применения, которые могли бы использоваться в
приводах роботов, пока не выпускаются. Благодаря особенностям некоторых
электродвигателей (например, шаговых), в роботах могут применяться как
замкнутый следяющий, так и разомкнутый электроприводы.
Структурная схема взаимодействия составных частей
замкнутого автоматизированного электропривода робота показана на 7.14,а, где
можно выделить три основные составные части:
механическую (МЧ), включающую манипуляционную систему (МС)
с рабочим органом (РО) и передаточный механизм (ПМ), предназначенный для
передачи механической энергии от электродвигателя к исполнительному органу
манипулятора, а также изменения вида и параметров (скорости и момента)
движения;
электродвигательное устройство (ЭД), предназначенное для
преобразования электрической энергии в механическую и представленное на схеме
двумя элементами - электромеханическим преобразователем (ЭМП), преобразующим
электрическую мощность в механическую и выходным звеном двигателя (ВД)
(якорем, ротором, штоком и др.), непосредственно отдающим механическую
энергию;
систему программного управления (СПУ), состоящую из
силовой преобразовательной части (П), управляющего устройства (УУ), задающего
устройства (ЗУ) и датчиков обратной связи - электрических (ДОС Э) и
механических (ДОС М1 и ДОС М2). Преобразователь предназначен для питания
электродвигателя и формирования управляющих сигналов, а также для
преобразования рода тока, напряжения или частоты либо изменения иных
параметров электрической энергии, подводимой к двигателю. Управляющее
устройство получает командные сигналы от задающего устройства, а информацию о
текущем состоянии электропривода робота, его исполнительного органа и
технологического процесса - от датчиков обратных связей. С их помощью
параметры тока, напряжения, мощности двигателя (или иных электрических
характеристик), а также скоростей движения, моментов и усилий, положений
рабочего органа преобразуются в пропорциональные электрические сигналы,
поступающие в управляющее устройство системы программного управления. В нем текущее
состояние электропривода, рабочего органа и технологического процесса,
выполняемого роботом, сравнивается в заданным, и при наличии рассогласования
вырабатывается управляющий сигнал, воздействующий через преобразователь на
электропривод в направлении устранения возникшего рассогласования с
требуемыми точностью и быстродействием.
Широкое применение в промышленных роботах в последние годы
получил разомкнутый дискретный электропривод с различными типами шаговых
электродвигателей.
В структурной схеме разомкнутого электропривода ( 7.14,6)
можно выделить три основные составные части:
механическую (МЧ), включающую в себя манипуляционную
систему (МС) с рабочим органом (РО) и передаточный механизм (ПМ),
предназначенный для передачи механической энергии от электродвигателя к
исполнительному органу манипулятора, а также изменения вида и параметров
(скорости и момента) движения; когда мощность электродвигателя недостаточна,
в механическую часть привода вводят дополнительно гидроусилитель моментов -
такая схема относится уже к электрогидравлической;
электродвигательное устройство (ЭД), предназначенное для
преобразования электрической энергии в механическую и представленное на схеме
двумя элементами - электромеханическим преобразователем (ЭМП), преобразующим
электрическую мощность в механическую, и выходным звеном шагового
электродвигателя, его ротором (РШД), непосредственно отдающим механическую
энергию;
систему программного управления (СПУ), состоящую из
электронного коммутатора (ЭК), преобразующего входной сигнал в
соответствующее по числу фаз напряжение, и усилителя мощности (УМ),
обеспечивающего соответствующий ток по фазе.
Такой привод не имеет датчиков обратных связей, что
значительно упрощает его структуру и снижает стоимость. Шаг двигателя может
быть выбран по условиям требуемой точности произвольно малым, что позволяет
воспроизводить все виды механического движения, доступные непрерывным
системам приводов. Таким образом, этот привод может быть определен как
синхронно-импульсный следящий, сочетающий в себе возможности глубокого
частотного регулирования угловой скорости (до 0) с возможностями числового
задания пути.
|