Робототехника в горной промышленности. 5-Роб ГП-20. Лекция приводы промышленных роботов

• Название: Лекция приводы промышленных роботов
• Анкор: Робототехника в горной промышленности
• Дата: 11.06.2020
• Размер: 1.96 Mb.
• Имя файла: 5-Роб ГП-20.ppt
• Тип: Лекция; #129635

Робототехника в горной промышленности

Доцент кафедры АТПП
Кульчицкий А.А.
[e-mail]

Лекция 5. ПРИВОДЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ

Привод промышленных роботов

Привод промышленных роботов (ПР) — совокупность технических средств, предназначенных для приведения в движение всех звеньев кинематики и захватного устройства манипулятора в соответствии с требуемыми условиями технологического процесса.
В зависимости от вида энергии, используемой для, движения исполнительного механизма робота, приводы: называются пневматическими, электрогидравлическими и электрическими.


Выбор типа привода является частью общей задачи разработки и создания робота новой конструкции. При этом необходимо учитывать:

характер нагрузки на привод;
кинематические параметры манипуляторов, т. е. необходимые угловые и линейные перемещения, скорости, законы движения рабочего органа (механизма);
число точек и точность позиционирования или точность воспроизведения траектории;
физическое состояние объекта, перемещаемого рабочим органом манипулятора (твердое, хрупкое, жидкое тело);
условия эксплуатации робота и прежде всего характеристики окружающей среды: пожароопасность, загрязнение, температуру, механические воздействия, ресурс, экономичность и другие факторы.

Энерговесовые, точностные, динамические характеристики роботов во многом определяются типом используемого привода.
Кроме того, тип привода определяет и возможности системы управления или степень интеллектуальности робота.

Сравнительная оценка приводов Электрогидравлический привод

Широкое использование гидропривода в робототехнике обусловлено рядом достоинств:

высокое быстродействие;
использование в качестве рабочего тела несжимаемой жидкости, что позволяет получить высокую стабильность скорости входного звена при изменении нагрузки в широком диапазоне, высокую точность позиционирования, высокую частоту реверсирования движения.
бесступенчатость регулирования скорости выходного звена;
большой коэффициент усиления по мощности (более 1000), высокий коэффициент полезного действия при различных способах регулирования;
малая относительная масса гидромашин;
отсутствие дополнительных кинематических цепей между выходным звеном привода и рабочим органом робота;
большой опыт разработки и эксплуатации гидроприводов в различных отраслях техники;
широкая номенклатура элементов гидроприводов, выпускаемых отечественной промышленностью.

К основным недостаткам гидравлических приводов, в том числе и приводов, применяемых в робототехнических устройствах, следует отнести:

использование в качестве рабочего тела жидкости требует создания специальных насосных установок. Вследствие требования мобильности и автономности роботов данные насосные установки должны устанавливаться в конструкции робота, что резко увеличивает массу конструкции робота;
использование в основном рабочей жидкости на нефтяной основе исключает возможность применения роботов с таким приводом в пожаро- и взрывоопасной среде; кроме того, наличие паров жидкости на нефтяной основе плотностью 5 г/м3 (ГОСТ 12.1.005—76) является опасным для здоровья;
ресурс рабочей жидкости ограничен, что приводит к частой смене всего объема жидкости, который в насосной установке достигает значительной величины. Это приводит к увеличению стоимости обслуживания;
стоимость элементов данного привода выше, чем элементов пневматического и электрического приводов;
предел рабочих температур жидкости привода ограничен (150°С), что приводит к невозможности эксплу­атации его в среде с повышенной температурой; кроме того, с изменением температуры жидкости в процессе работы изменяются свойства жидкости, а следовательно, и скорость выходного звена;

Основные преимущества пневматических приводов при использовании в промышленных роботах:

простота и надежность конструкции;
высокая скорость выходного звена привода: при линейном перемещении до 1000 мм/с, при вращении — до 60 об/мин;
использование сжатого воздуха в качестве рабоче­го тела;
возможность использования сжатого воздуха из заводской пневмосети с давлением 0,5—0,6 МПа;
простое цикловое управление: позиционирование производится с помощью перенастраиваемых упоров;
высокая точность позиционирования по точкам, определяемым жесткими упорами;
возможность работы в агрессивной и пожароопас­ной среде;
отсутствие промежуточных передаточных звеньев между выходным звеном привода и рабочим органом робота;
высокий коэффициент полезного действия (до 0,8);
малая относительная масса конструкции привода на единицу развиваемой мощности;
простота компоновки элементов пневмопривода;
низкая стоимость как конструкции привода, так и робота и малые материальные затраты на обслужива­ние;
малая чувствительность к ударным перегрузкам и вибрациям;
возможность использования сжатого воздуха как среды для передачи команд управления и построения схем автоматики на базе пневмоэлементов.

К недостаткам пневматического привода следует отнести:
— нестабильность скорости выходного звена при изменении нагрузки вследствие сжимаемости рабочего тела при малых и средних давлениях;
— ограниченность числа точек позиционирования (чаще всего две точки) в приводах с цикловым управлением; увеличение числа точек позиционирования требует использования специальных конструкций позиционирующих устройств;
— необходимость демпфирования движения выходного звена привода в конце хода, так как при больших скоростях движения выходного звена при подходе к упо­рам возможны сильные удары рабочего органа робота по упорам;
— наличие шума при работе привода.

Сравнительная оценка приводов. Электропривод.

Электроприводы новых серий — это приводы с высокомоментными двигателями постоянного тока, асинхронными двигателями, бесколлекторными двигателями постоянного тока и силовыми шаговыми двигателями.
Электроприводы этих серий в большом диапазоне моментов обеспечивают повышенную максимальную скорость, имеют улучшенные массогабаритные показатели.
Особенностями электроприводов являются расширенный (до 0,05 Н-м) диапазон малых моментов, повышенная (до 15- 103 об/мин) максимальная частота вращения, уменьшенная инерция двигателей, возможность встройки в двигатели электромагнитных тормозов и различных датчиков, а также механических и волновых передач.


Основные достоинства электроприводов следующие:
— компактная конструкция двигателей;
— высокое быстродействие;
— равномерность вращения;
— высокий крутящий момент на максимальной скорости;
— высокая надежность (степень защиты 1Р54);
— высокая точность (за счет применения цифровой измерительной системы с высокоточным - импульсньм датчиком);
— низкие уровни шума и вибрации;
— эксплуатация без проверки и обслуживания (использование бесколлекторных двигателей);
— компактная конструкция преобразователей;
— доступность электрической энергии.


К недостаткам можно отнести:
— наличие щеток в коллекторах двигателя постоянного тока;
— ограниченное использование во взрывоопасных средах;
— большую зависимость скорости выходного звена о нагрузки, что приводит к необходимости создания дополнительных контуров регулирования привода;
— наличие дополнительной кинематической цепи между электродвигателем и рабочим органом робота


В ПР часто используются линейные и поворотные пневмодвигатели.
Для линейных пневмодвигателей пневмоцилиндров двухстороннего действия - перемещение поршня осуществляется подачей сжатого воздуха в соответствующую полость.
Управление пневмоцилиндром осуществляется пневмораспределителем, который при смещении якоря влево подает давление от пневмосети в правую полость двигателя и поршень перемещается влево. Левая полость соединяется с атмосферой. При двух возможных положениях якоря перемещения поршня происходят из одного крайнего положения в другое.


Гидравлические двигатели чаще всего выполняются линейными - в виде гидроцилиндров. Рабочей жидкостью является масло. Если рабочее давление в пневмоприводах составляет 0,5...1 МПа, то в гидроприводах рабочее давление на порядок больше: 5...10 МПа. Указанное позволяет при одних и тех же рабочих усилиях в несколько раз уменьшить диаметр гидроцилиндра по сравнению с пневмоцилиндром.

Исполнительные и передаточные элементы привода ПР.

В манипуляторах ПР и устройствах передвижения ПР широко используются электрические двигатели переменного и постоянного тока. Особенностями электроприводов ПР является:
расширенный до 0,005 Н  м диапазон малых моментов;
повышенная до 15  103 об/мин максимальная частота вращения;
возможность уменьшения инерции двигателей;
встройки тормозов и различных датчиков, встроенных передач;
отсутствие характерных для пневмо- и гидроприводов утечек энергоносителя;
низкий уровень шума и вибрации, сравнительная простота подвода питания, в том числе, для двигателей на подвижных частях ПР.


Для согласования скоростей приводных двигателей и звеньев ПР, которым передается движение, используются зубчатые передачи (цилиндрические и конические, с прямыми и косыми зубьями), а также передачи с гибкой связью (ременные зубчатые, цепные и тросовые).


Цилиндрические зубчатые передачи преобразуют вращательное движение между параллельными осями.
Конические зубчатые передачи преобразуют вращательное движения между пересекающимися осями (как правило, под углом 90°, хотя возможны передачи с произвольным углом между осями).
Цепные передачи втулочно-роликовыми или зубчатыми цепями (рис.5.10,а) осуществляют передачу вращения между параллельными валами при значительных межосевых расстояниях.
Ременные зубчатые передачи также служат для передачи вращательного движения между параллельными валами при значительном межосевом расстоянии.
Тросовые передачи используются для передачи прямолинейного движения через кинематические пары: поступательную и вращательную.


Особенностью ПР большой и сверхбольшой грузоподъемности является наличие не только значительной полезной нагрузки, но и преобладание в ней инерционных нагрузок от подвижных звеньев робота. Именно при таком характере нагрузок проявляются преимущества гидроприводов перед электроприводами в обеспечении высоких значений динамических характеристик. Кроме того, больше проявляются преимущества гидроприводов в энергетических характеристиках, за счет которых обеспечивается значительное снижение массы робота.


гидроприводы реализуются тремя различными схемами:
— с постоянными давлением рабочей жидкости в системе и производительностью гидравлического насоса;
— с постоянным давлением рабочей жидкости в системе и переменной производительностью гидравлического насоса;
— с переменными давлением рабочей жидкости в сис­теме и производительностью гидравлического насоса.

Электрогидравлические приводы промышленных роботов

Электрогидравлические следящие приводы дроссельного управления
Изменение скорости движения подвижного элемента гидродвигателя осуществляется за счет дросселирования потоков рабочей жидкости на входе или выходе исполнительного двигателя или за счет сочетания этих способов дроссельного управления. При этом система из нескольких следящих гидроприводов питается рабочей жидкостью от одного гидронасоса постоянной или переменной производительности.

Схема гидродвигателя

Гидродвигатель ПР содержит поршень 1, цилиндр двустороннего действия 2, шток 3 с рукой и захватным устройством 4. Подача и отвод масла выполняется гидрозолотником 5. В состав гидродвигателя также входят манометр 6, аккумулятор 7, дроссель 8 (регулируется скорость перемещения выходного звена – руки ПР), сливной трубопровод 9 и бак 10, а также заборный трубопровод 11, гидронасос 12, электродвигатель13, предохранительный клапан 14 и фильтр 15.
К числу основных параметров гидродвигателя относятся: эффективные площади поршня в рабочей F1 и сливной F2 полостях; ход поршня S; текущая координата x; скорость V и ускорение поршня а; масса mp руки ПР; давление масла в рабочей р1 и сливной р2 полостях; эффективные площади сечений трубопроводов в рабочей f1 и сливной f2 магистралях; диаметры поршня D и штока d; движущая сила РД и сила нагрузки РН.

Обобщенная функциональная схема гидроприводов дроссельного управления с гидронасосом постоянной производительности

Обобщенная функциональная схема гидроприводов дроссельного управления с гидронасосом переменной производительности

Расчет и выбор исполнительных устройств включает в себя несколько этапов, наиболее важными которых являются:
— определение физических параметров и свойств рабочей среды (рабочего тела) сжатого воздуха;
— получение исходных значений давления и расхода сжатого воздуха;
— выбор типа исполнительных устройств и их конструктивных параметров;
— определение динамических свойств исполнительных устройств и динамики системы управления.

Типовая схема и элементы управления

Пневмопривод одной степени подвижности ПР 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.
Перемещение поршня 1 на шаг S происходит вправо вместе со штоком 3, рукой 4 и ЗУ 5. Дроссель 7 служит для регулировки скорости перемещения подвижных частей двигателя

Принципиальная схема пневмопривода

Схема регулирования скорости привода

Использование энергии сжатого воздуха обеспечивает выходному звену пневмопривода высокую скорость. В приводах с цикловым позиционным управлением поршень исполнительного двигателя подходит к заданной точке остановки с максимальной скоростью. Если не предусматривать специальных средств торможения, то останов поршня происходит за счет механического упора, что вызывает механические вибрации груза, повышенный уровень шума и резкие динамические нагрузки на конструкцию двигателя.
Торможение поршня в конце хода выполняется различными способами:
— специальным дросселированием рабочего тела на выходе из полости опорожнения в конце хода поршня;
— торможением (демпфированием) поршня устройствами гидравлического или пружинного типа.

Торможение демпфером

Основано на гашении энергии движения. Наиболее широкое применение получили гидравлические демпферы 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 dд, b и l рассчитывают по известной скорости поршня и допускаемому тормозному ходу.


Торможение поршня с использованием рабочего тела. Плавное торможение поршня в конце хода путем уменьшения расхода воздуха из полости опорожнения выполняется конструктивно установкой специального дросселя на выходе из цилиндра.

Схема торможения двигателя 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 Р= р1 (F1 – F2), под действием которой поршень будет двигаться с меньшей скоростью.

Позиционирование пневмопривода

Наиболее простая схема позиционирования где пневмодвигатель выполнен в виде цилиндра с ложным штоком двустороннего действия. Питание подводится в обе полости одновременно. При равенстве давлений в полостях поршень находится в покое. Магистрали 1 – 7 служат для выхода воздуха в атмосферу. При открытии по команде системы управления одного из выходов давление в соответствующей полости понижается. Под действием разности сил поршень будет двигаться до тех пор, пока не перекроется выход и давления в полостях А и В не выровняются. Закрытие и открытие выхода может осуществляться механическим путем или пневмораспределителем. Механически выход закрывается самим поршнем.

Пневматический следящий привод

1 – цилиндр;
2 – струйный механизм;
3 – сопла приемника;
4 – обмотка управления.


Распределителем сжатого воздуха является струйный механизм 2, при отклонении которого в право и влево происходит пропорциональное изменение расхода воздуха в левую или правую полость цилиндра 1 через сопла приемника 3. На оси струйника расположен якорь электромагнитного преобразователя (ЭПМ) (на рисунке не показан). При разведении токов управления iу в обмотках управления наступает равновесие сил, действующих на якорь, который вместе с струйником находится в среднем положении. При наличии разности токов управления iу равновесие сил нарушается, якорь и струйник поворачиваются на угол a, который пропорционален разности токов. Датчиком положения штока цилиндра является потенциометр обратной связи.

Электроприводы промышленных роботов

Функциональная схема электромеханического робота

Особенностями электроприводов ПР являются:
1) широкий диапазон регулирования по скорости и позиционированию, высокие требования к динамике движения и точности слежения;
2) работа в широком диапазоне изменения моментов нагрузки;
3) длительная работа двигателей в заторможенном режиме.
Указанная специфика относится как к комплексу электроприводов ПР, так и к отдельным электроприводам, схемы которых по существу различаются лишь мощностями исполнительных и соответственно управляющих элементов. В остальном они построены по общей схеме (рис. 4.3).

Функциональная схема электропривода робота

Электропривод ПР состоит из следующих элементов:
исполнительного элемента (двигателя);
преобразователя;
датчиков обратной связи по току, скорости и углу;
регуляторов тока, скорости и угла (положения) .

Схема разомкнутого управления

Принцип разомкнутого управления реализуется только на основе желаемого алгоритма поведения управляемого объекта и не учитывает возможность появления внешних возмущающих воздействий, способных вызвать неконтролируемые отклонения в процессе функционирования объекта.
Например, скорость вращения выходного вала электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением пропорциональна напряжению, приложенному к якорю

Схема управления по возмущению

Схема управления с обратной связью