Приводы промышленных роботов

Лекция 3

Приводы промышленных роботов.

 

1. Сравнительная характеристика приводов ПР

2. Пневматический привод:

– элементы пневмопривода;

– типовая схема и элементы управления;

– демпфирование пневмопривода:

- внешними устройствами,

- рабочим  телом;

– Позиционирование пневмопривода;

– Пневматический следящий привод.

3. Гидравлический привод:

– область применения, достоинства  и недостатки;

– Схема гидродвигателя: элементы и параметры

4. Электрический  привод.

5. Комбинированный  привод:

– электрогидравлический;

– гидропневматический  и пневмогидравлический.

 

Сравнительная характеристика приводов ПР.

 

Приводы ПР включают в себя двигатель, систему управления, передаточные механизмы, тормозные устройства, датчики обратной связи и коммуникации. Коммуникации необходимы для передачи энергии к приводам и передачи сигналов управления, а также для выполнения обратной связи.

Выбор типа привода зависит от функционального  назначения ПР. Основными факторами, определяющими выбор типа привода являются: назначение и условия эксплуатации, грузоподъемность и требуемые динамические характеристики конструкции, а также вид системы управления.

К приводу  любого вида предъявляют общие требования:

– минимальные габаритные размеры при высоких энергетических показателях, обеспечивающие большое значение отношения выходной мощности к массе;

– возможность работы в режиме автоматического управления и регулирования, обеспечивающем оптимальные законы разгона и торможения при минимальном времени переходных процессов;

– быстродействие, т.е. осуществление движений исполнительных механизмов с высокими скоростями и малой погрешностью позиционирования;

– малая масса элементов привода  при высоком КПД всей конструкции;

– надежность и долговечность элементов конструкции;

– удобство монтажа, ремонта, обслуживания, переналадки и бесшумность работы.

В зависимости  от используемого вида энергии приводы  подразделяют на гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные (например, электрогидравлические, гидропневматические и др.)

Пневматические приводы применяются в 20…30% (по другим оценкам в 40-50%) серийно выпускаемых ПР. Их используют  для легких и средних (по грузоподъемности до 20 кг) ПР при числе степеней подвижности 2…3. Погрешность позиционирования в этих приводах не превышает ± 0,1 мм. Скорость ведомого звена привода при линейном перемещении составляет до 1000 мм/с, при угловом – до 60 об/мин. Они имеют простую конструкцию, низкую стоимость и достаточно надежны в работе.

Вследствие  низкой регулировочной способности  их мало используют в позиционных  и контурных режимах работы, и  они имеют цикловое управление, как  простейший вариант позиционного (задается две точки – начало и конец  перемещения).

Гидравлические приводы применяются в 30% серийно выпускаемых средних и тяжелых ПР при числе степеней подвижности 3…4. Погрешность позиционирования в этих приводах не превышает ± 0,5 мм при скорости линейного перемещения до 0,8…1200 мм/с. Эти приводы имеют сложную конструкцию, высокую стоимость изготовления и эксплуатации. Гидравлический привод имеет хорошую регулировочную способность, и его используют в ПР с позиционным и контурным режимом работы.

Электрические приводы используются в 40…50% серийно выпускаемых ПР со средней грузоподъемностью и числом степеней подвижности 3…6. Точность позиционирования электрического привода достигает значений до ± 0,05 мм. Их применяют как в позиционном, так и в контурном режимах работы.

Преимуществами  электроприводов являются более  высокая экономичность, КПД, удобство сборки и хорошие регулировочные свойства.

Как правило, в электроприводах используют синхронные, шаговые и двигатели постоянного  тока. Асинхронные двигатели применяются  реже, что связано с трудоемкостью  управления частотой вращения.

Комбинированные приводы позволяют максимально использовать достоинства отдельных типов приводов. Чаще всего в промышленных роботах применяют комбинацию пневматического и гидравлического приводов (пневмогидравлические и гидропневматические), а также электрического и гидравлического (электрогидравлические). В конструкциях ПР пневмогидравлические приводы имеют ограниченное применение. В них в качестве исполнительного органа используется пневмоцилиндр, а стабилизация его скорости и гидравлическая фиксация осуществляется гидросистемой.

В гидропневматическом  приводе в качестве исполнительных двигателей применяют гидродвигатели, а пневмосистема применяется для создания необходимого давления в гидросистеме, что позволяет отказаться от гидронасосных станций.

 

Пневматический  привод

 

Элементы пневмопривода

 

Пневмопривод применяется в основном в ПР с цикловым управлением. Функционально такой пневмопривод можно разделить на следующие узлы:

– блок подготовки рабочего тела (воздуха);

– блок распределения сжатого воздуха;

– блок исполнительных двигателей;

– система  передачи сжатого воздуха между  устройствами привода.

Блок подготовки воздуха является обязательным для ПР с пневмоприводом. Воздух осушают и очищают от пыли.

Блок распределения сжатого  воздуха содержит устройства, с помощью которых по заданной программе можно открыть или закрыть доступ сжатого воздуха в рабочие полости исполнительных двигателей. В качестве распределителей служат устройства, где запорными устройствами служат золотники и клапаны. Обычно используют пневмораспределители с управлением от электромагнитов и командоаппаратов. Однако при определенных условиях (взрывоопасная среда, радиация) используются распределители с пневматическим управлением.

В качестве блока исполнительных двигателей используются цилиндры с прямолинейным или вращательным движением поршня одно- или двустороннего действия. На каждую степень подвижности предусматривается свой исполнительный двигатель (пневмоцилиндр), конструкция которого обеспечивает заданные перемещения, скорости и усилия.

Захватное устройство ПР также может иметь двигатель, который обеспечивает захват объекта манипулирования, его удержание при перемещении и освобождение после установки в заданной точке.

Рабочий цикл выполняется каждым двигателем в определенной последовательности в соответствии с требованиями технологического процесса и осуществляется по программе, выполняемой управляющим устройством  робота, которое входит в состав СПУ.

В системы  передачи сжатого воздуха между  устройствами привода используются пневмопроводы различного сечения, рассчитываемого исходя из заданных условий работы.

 

Типовая схема  и элементы управления.

 

Рассмотрим  типовую схему пневмопривода одной степени подвижности ПР (рис. 10). Она состоит из входного штуцера 12, через который осуществляется подвод сжатого воздуха под давлением 0,5…0,6 МПа из заводской пневмосети к ПР. Вентилем 11 производится включение привода в работу. Влагоотделитель 10 служит для подготовки сжатого воздуха и удаления из него водяного конденсата, который вызывает коррозию и увеличивает трение трущихся деталей. Далее посредством соответствующей регулировки редукционного клапана 9, производится предварительная настройка давления сжатого воздуха, поступающего к элементам привода. Это давление является номинальным и устанавливается согласно техническим требованиям на данный ПР. Маслораспылитель 8 также участвует в подготовке воздуха и обеспечивает распыление масла, необходимого для смазки перемещающихся элементов исполнительного двигателя (цилиндра 2) и распределителя 6. В качестве последних используются т.н. золотники и клапаны. Обычно управление распределителем производится от электромагнита. Распределители служат для перераспределения потоков рабочего тела, в данном случае сжатого воздуха, в соответствии с управляющей программой и требованиями технологического процесса.

 

 

Рис. 10 –  Типовая схема пневмопривода

 

Согласно схеме, изображенной на рисунке 10, перемещение поршня 1 на шаг S происходит вправо вместе со штоком 3, рукой 4 и УЗ 5. Дроссель 7 служит для регулировки скорости перемещения подвижных частей двигателя.

К числу основных параметров, характеризующих  пневмодвигатель, относятся: эффективная  площадь поршня в рабочей (поршневой) F₁ и выхлопной F₂ (штоковой) полостях; рабочий ход поршня S; текущая координата x; скорость v и ускорение а поршня; масса m_p исполнительного устройства (напр., руки ПР); давление воздуха в рабочей р₁ и выхлопной полотях р₂; эффективные площади сечений трубопроводов на входе f₁ и выходе f₂; диаметры поршня D и штока d; движущая сила Р_Д и сила нагрузки (потребная) Р_Н.

 

Демпфирование пневмопривода

 

Ввиду высоких скоростей движения поршня пневмодвигателя необходимо осуществлять его торможение в конце  прямого и обратного хода. Это  повышает точность позиционирования и  снижает динамические нагрузки в  ПР.

В пневмоприводах ПР используются два типа торможения: с помощью демпфирующих устройств или путем дросселирования (рис.10).

При использовании  демпфирующих устройств (внешними устройствами) торможение происходит на небольшом участке в конце хода при подходе к точке позиционирования. При использовании дросселей (торможение рабочим телом) разгон и торможение осуществляется на большей части хода, чем достигается требуемый закон изменения кинематических параметров в течение всего цикла движения.

Торможение демпфером основано на гашении энергии движения. Наиболее широкое применение получили гидравлические демпферы (рис. 11) и меньшее – механические.

 

Работа  гидродемпфера происходит следующим образом. В момент торможения упор 1, взаимодействующий со штоком пневмодвигателя, утопляет подвижную часть демпфера – поршень 2 гидроцилиндра 3. За счет вытеснения масла через коническую щель 4 в полость 5 и происходит торможение поршня 2. Плавность торможения обеспечивается за счет выбора параметров демпфера: размеров конической щели 4, параметров дросселя 8 и пружины 7 аккумулятора 6. Размеры d_д, b и l рассчитывают по известной скорости поршня и допускаемому тормозному ходу.

 

 

Рис. 11 –  Схема гидродемпфера.

 

В механических демпферах энергия движущихся элементов привода и груза преобразуется в энергию сжатой пружины. Конструктивное оформление механического демпфера производится в виде цилиндрической пружины, заключенной в корпус. Пружинные демпферы применяются для приводов с грузоподъемностью до 1 кг., поскольку параметры пружины зависят от массы перемещаемых объектов манипулирования, а также от скорости.

Торможение поршня с использованием рабочего тела достигается путем уменьшения расхода воздуха из полости опорожнения за счет установки специального дросселя и позволяет изменять площадь выходного сечения. При этом меняется значение давления и формируется необходимый закон движения поршня, т.е. регулируется скорость его перемещения. Такой способ торможения возможен только благодаря высокой сжимаемости воздуха и используется для роботов с грузоподъемностью до 5 кг.

Другим  способом торможения является способ, при котором используется схема  создания противодавления в соответствующей  полости двигателя. При достижении поршнем некоторого положения в  полость опорожнения подается основное давление магистрали (рис.12).

Рис. 12 –  Схема торможения противодавлением

 

Работа  заключается в следующем. Сжатый воздух из магистрали питания через  пневмораспределители 1 и 2 поступает в левую полость цилиндра. Правая полость через пневмораспределитель 5 и дроссель 4 сообщена с атмосферой. Поршень движется из левого положения в правое, при этом перепад давления на поршне Δр=р₁-р₂. По достижении поршнем положения 1-1 посредством системы управления ПР пневмораспределитель 5 переключается в другое положение (влево) и сжатый воздух из магистрали питания попадает в правую полость пневмоцилиндра. Давление в обоих полостях начинает выравниваться до р₁=р₂. Из-за разности площадей левой и правой частей поршня F₁ и F₂ на поршень действует сила под действием которой поршень будет двигаться с меньшей скоростью.

Для создания равновесия сил на поршне пневмораспределитель 2 должен переключиться одновременно с пневмораспределителем 5 и перекрыть доступ сжатого воздуха в левую полость цилиндра, которая будет представлять собой замкнутый объем.

 

Рассмотренный метод торможения рабочим телом не является единственным. Существует множество других схем, но общим недостатком их является перенастройка демпфирования при изменении условий и характера внешней нагрузки.

Данный  метод демпфирования применяется  для роботов с грузоподъемностью  до 1 кг.

 

Позиционирование пневмопривода

 

Позиционирование  выходного звена  в ПР с цикловым управлением обеспечивается по двум крайним точкам и составляет максимальный и минимальный ход поршня при линейном и угловом перемещении.

В некоторых  случаях требуется позиционирование выходного звена в промежуточных  точках. В этом случае позиционирование осуществляется при помощи внешних  механических упоров с демпфированием при подходе к каждому упору (к точке). Расчеты и практика показывают, что таких точек позиционирования в пневмоприводах может быть 6…9 и не более, вследствие высокой сжимаемости рабочего тела (воздуха) и скорости перемещения.