Конспект лекций по КМР

Глава 16 КОНСТРУИРОВАНИЕ МОДУЛЕЙ

СТЕПЕНЕЙ ПОДВИЖНОСТИ И РАБОЧИХ ОРГАНОВ

16.1. Уровни модулей

Модуль – конструктивно и функционально самостоятельное изделие, которое можно использовать индивидуально и в разных комбинациях с другими модулями.

В зависимости от конструкции и функциональных возможностей модули исполнительных устройств роботов делят на пять уровней [53].

Модуль первого уровня представляет собой моноблок одной, двух или трех степеней подвижности исполнительного устройства робота, состоящий из электромеханической и управляющей частей. Корпус электромеханической части моноблока является частью силовой конструкции исполнительного устройства и в общем случае может воспринимать шесть внешних силовых воздействий (три силы и три момента), а управляющая часть обеспечивает работу электромеханической части в соответствии с командами устройства управления робота.

Модули первого уровня имеют: с одной степенью подвижности 2 базовые модели – с вращательной (В) и поступательной (П) кинематическими парами; с двумя степенями подвижности 3 базовые модели – с вращательной и поступательной (ВП, ПВ), двумя вращательными (ВВ) и двумя поступательными (ПП) кинематическими парами; с тремя степенями подвижности 4 базовые модели – с тремя вращательными (ВВВ), двумя вращательными и одной поступательной (ВВП, ВПВ, ПВВ), двумя поступательными и одной вращательной (ППВ, ПВП, ВПП) и тремя поступательными (ППП) кинематическими парами.

Модуль второго уровня – это модуль-привод одной степени подвижности. Он состоит из электромеханической и управляющей частей. В отличие от электромеханической части моноблока корпус модуль-привода не является несущим.

Модули второго уровня одноподвижны и имеют 2 базовые модели: с вращательной (В) и поступательной (П) кинематическими парами.

Модули третьего уровня – это функциональные блоки, предназначенные для компоновки модулей высших уровней. К ним относят механические, электротехнические, информационные и другие блоки (например, тормозные и демпфирующие механизмы, датчики обратной связи).

501

Модули четвертого уровня – это преобразователи движения, имеющие одну степень подвижности.

Модули пятого уровня – это простейшие унифицированные механические и аппаратурные единицы, используемые в модулях более высокого уровня. К ним относят люфтовыбирающие механизмы, направляющие, интерфейсные устройства и др.

Наиболее независимыми модулями, позволяющими самостоятельно компоновать исполнительные устройства роботов, являются модули первого и второго уровней.

16.2. Мехатронные модули

Перспективным направлением развития модулей степеней подвижности и рабочих органов исполнительных устройств роботов являются мехатронные модули (ММ).

Мехатронный модуль – функционально и конструктивно самостоятельное изделие для реализации движений с взаимопроникновением и синергетической аппаратно-программной интеграцией составляющих его элементов, имеющих различную физическую природу

Кэлементам различной физической природы относят механические (преобразователи движения, трансмиссии, звенья), электротехнические (двигатели, тормоза, муфты), электронные (электронные блоки и микропроцессоры) и информационные (датчики информации) элементы.

Встроенные интеллектуальные устройства, реализованные на новой элементной базе, позволяют получать компактные и надежные мехатронные модули, и строить на их основе многокоординатные мехатронные системы с децентрализованным управлением. Но важно подчеркнуть, что применение мехатронных модулей, особенно со встроенными электронными и управляющими устройствами, должно быть технологически и экономически обосновано для каждого конкретного приложения.

Задача конструктора при синергетической интеграции состоит

втом, чтобы не просто связать отдельные части в систему с помощью типовых соединений и преобразователей, а сделать конструктивные связи в мехатронном модуле взаимопроникающими и неразрывными.

Кглавным преимуществам мехатронных модулей относят:

исключение многоступенчатого преобразования энергии и информации, упрощение кинематических цепей и, следовательно, высокая точность и улучшенные динамические характеристики;

конструктивная компактность модулей и, следовательно, улучшенные массогабаритные характеристики;

502

возможность объединения мехатронных модулей в сложные мехатронные системы и комплексы, допускающие быструю реконфигурацию;

относительно низкую стоимость установки, настройки и обслуживания системы благодаря модульности конструкции, унификации аппаратных и программных средств;

способность выполнять сложные движения благодаря применению методов адаптивного и интеллектуального управления.

Структурная модель мехатронного модуля должна отражать состав его элементов и связи между ними. В общем случае она включает в себя следующие основные элементы:

устройство компьютерного управления движением, функциональной задачей которого является информационное преобразование (обработка цифровых сигналов, цифровое регулирование, расчет управляющих воздействий, обмен данными с периферийными устройствами);

цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), реализующий функцию информационно-электрического преобразования;

силовой преобразователь, обычно состоящий из усилителя мощности, широтно-импульсного модулятора (ШИМ) и трехфазного инвертора (для асинхронных двигателей), предназначен для усиления электрического сигнала;

управляемый электродвигатель (переменного или постоянного тока), являющийся электротехническим элементом мехатронного модуля, предназначен для преобразования электрической энергии в механическую;

механический преобразователь, взаимодействующий с внешними объектами и реализующий заданное управляемое движение;

устройство обратной связи, используемое для контроля текущих напряжений и токов в силовом преобразователе, а также управляющих функций (например, для организации контура регулирования момента, развиваемого модулем);

датчики обратной связи по положению и скорости движения выходного звена мехатронного модуля, выполняющие функции механико-информационного преобразования;

Мехатронные модули классифицируют по определенным признакам с целью систематизации информации о них в виде упорядоченной структуры. Согласно классификации создаются образы мехатронных модулей.

На рис. 16.1 представлена классификация мехатронных модулей по конструктивным признакам.

503

Рис. 16.1

Рассмотрим более подробно каждый тип мехатронных модулей. Модуль движения (МД) – конструктивно и функционально самостоятельное изделие, включающее в себя механическую и электрическую (электротехническую) части, которое можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими

модулями.

Главным отличающим признаком модуля движения от общепромышленного привода является использование вала двигателя в качестве одного из элементов механического преобразователя. Примерами модулей движения являются мотор-редуктор, моторколесо, мотор-барабан, электрошпиндель.

С появлением электродвигателей и началом новой эры в механизации технологических процессов встал вопрос о необходимости широкого редуцирования частот вращения электродвигателей и получения необходимых крутящих моментов. Многими фирмами были разработаны различные конструкции, начиная от ременных и цепных передач и заканчивая разнообразными зубчатыми редукторами. Недостаток большинства этих конструкций состоял в чрезвычайной их громоздкости и неудобстве монтажа.

В 1927 году фирмой «Бауэр» была разработана принципиально новая конструкция – мотор-редуктор, объединившая в один компактный конструктивный модуль электродвигатель и преобразователь движения (редуктор) и получившая в настоящее время широкое распространение.

Мотор-редуктор (рис. 16.2) состоит из двух основных элементов: электродвигателя 1 и преобразователя движения (редуктора) 2, имеющего стыковочную поверхность 3 с отверстиями для крепления к ней электродвигателя винтами или болтами 4. При объеди-

505

электродвигателя и преобразователя движения единый. Мотор-редукторы являются, по-видимому, исторически пер-

выми по принципу своего построения мехатронными модулями, которые стали серийно выпускать и нашли широкое применение в приводах различных машин и механизмов. В них, по сравнению с традиционным электроприводом, у которого соединение вала двигателя и вала преобразователя движения осуществляют посредством муфты, муфта отсутствует, соединение вала двигателя с полым валом преобразователя движения осуществляют при помощи шпонок, лысок и т.п. или вал двигателя является входным валом редуктора, т.е. вал единый.

Конструктивное объединение электродвигателя и преобразователя движения в единый компактный электропривод – модуль движения – имеет ряд преимуществ по сравнению с устаревшей системой соединения электродвигателя и преобразователя движения через муфту. Это и значительное сокращение габаритных размеров, существенное уменьшение количества присоединительных деталей и затрат на установку, отладку и запуск.

Мехатронный модуль движения (ММД) – конструктивно и функционально самостоятельное изделие, включающее в себя механическую, электрическую (электротехническую) и информационную части, которое можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими модулями.

Всвязи с развитием новых электронных технологий, которые позволили создать миниатюрные датчики и электронные блоки для обработки их сигналов, в мехатронных модулях движения появились электронные и информационные устройства, что является их главным отличающим признаком от модулей движения.

Структура мехатронного модуля движения представлена на рис.

16.4.

Электродвигатель – это электротехнический преобразователь электрической энергии в механическую.

Механический преобразователь – устройство, преобразующее параметры движения двигателя в требуемые параметры движения выходного звена (может отсутствовать).

Всостав механического преобразователя входят: преобразователи движения (передачи) - механизмы, предна-

значенные для преобразования одного вида движения в другое, согласования скоростей и вращающих моментов двигателя и выходного звена мехатронного модуля;

тормозное устройство – устройство, предназначенное для уменьшения скорости подвижного звена, останова и удержания его

506

в неподвижном состоянии (может отсутствовать); люфтовыбирающие механизмы – устройства, предназначенные

для выборки зазоров в некоторых видах преобразователей движения (могут отсутствовать);

направляющие – устройства, обеспечивающие заданное относительное движение выходного звена мехатронного модуля (могут отсутствовать).

Структура мехатронного модуля движения

Мехатронный модуль движения

Информационное устройство – устройство, преобразующее контролируемую величину в сигнал, удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации, а также для воздействия им на управляемые процессы.

Попытка синтеза мехатронного модуля движения из имеющихся в наличии серийно выпускаемых компонентов может привести к технически и экономически неэффективным решениям. Поэтому более рациональным является проектирование специализированного мехатронного модуля движения, наиболее полно отвечающего его служебному назначению.

507

В частности, следование принципу синергетической интеграции элементов системы приводит к обеспечению желаемого уровня качества модуля за счет конструктивного и функционального взаимопроникновения его компонентов, многие из которых являются специализированными и создаются в ходе параллельного системного проектирования с учетом их последующего эффективного объединения.

Примеры мехатронных модулей движения: мехатронные модули движения на основе электродвигателей углового и линейного движения и различных преобразователей движения (винтовых, червячных, планетарных, волновых и т.п.), безредукторные мехатронные модули движения, безредукторные поворотные столы.

На рис. 16.5 изображен мехатронный модуль линейного движения выходного звена. Он состоит из асинхронного электродвигателя 1 с полым валом 2, в котором закреплены три ряда шариков 3, шарико-винтового преобразователя движения, включающего в себя винт 4 с двумя участками резьбы разных шагов, шарики 5 и 6, две составные гайки 7 и 8, жестко скрепленные с направляющей 9 и выходным звеном 10 мехатронного модуля соответственно, шариков 11, закрепленных в выходном звене 10, электромагнитного тормоза 12, фотоимпульсного датчика 13 и корпуса 14.

Рис. 16.5

При вращении ротора электродвигателя 1 вал 2 через шарики 3 вращает винт 4, который совершает винтовое движение. При этом выходное звено 10 совершает сложное движение: переносное движение с винтом 4 и относительное движение относительно винта 4. Для предотвращения проворачивания и уменьшения трения при перемещении выходного звена 10 в направляющей 9 сделаны три

508

продольных паза, в которые входят шарики 11. Величину перемещения выходного звена 10 фиксирует фотоимпульсный датчик 13. Электромагнитный тормоз 12, закрепленный в корпусе 14, в случае отключения электроэнергии срабатывает и останавливает выходное звено 10.

Включение в классификацию модулей движения и мехатронных модулей движения методически и логически обосновано, так как они построены на мехатронных принципах проектирования и являются базой для создания «истинно мехатронных» модулей – интеллектуальных мехатронных модулей, которые полностью соответствуют определению мехатроники.

Интеллектуальный мехатронный модуль (ИММ) – конструктивно и функционально самостоятельное изделие с синергетической интеграцией механической, электрической (электротехнической), информационной и компьютерной (электронной) частей, которое можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими модулями.

Интеллектуальный мехатронный модуль состоит из следующих основных элементов:

электродвигателя (хотя возможно использование движителей и других типов, например, гидравлических);

механического преобразователя;

датчиков обратной связи и сенсорных устройств;

управляющего контроллера;

силового преобразователя;

устройств сопряжения и связи.

Таким образом, по сравнению с мехатронными модулями движения (ММД), в конструкцию ИММ дополнительно встраивают микропроцессорные вычислительные устройства и силовые электронные преобразователи, что придает этим модулям интеллектуальные свойств и является их главным отличающим признаком от ММД.

На рис. 16.6 изображен интеллектуальный мехатронный модуль, состоящий из асинхронного электродвигателя 1, механического преобразователя 2 и силового преобразователя 3.

Такое конструктивное исполнение интеллектуальных мехатронных модулей позволяет выходному звену выполнять сложные движения самостоятельно, без обращения к верхнему уровню управления,

509

упростить интерфесы между модулями и центральным устройством управления, реализовать с помощью силовых преобразователей интеллектуальные функции по управлению движением, добиться высокой точности измерения благодаря интеллектуализации сенсоров, повысить их надежность.

16.3. Расчет модулей

При расчете и конструировании модулей степеней подвижности и рабочих органов необходимо выбрать компоновочнокинематическую схему модуля, определить взаимодействия его основных функциональных элементов и найти конструктивные параметры деталей модуля.

Исходными данными для расчета и конструирования модуля являются: структурная схема, тип привода (пневматический, гидравлический, электромеханический), момент (сила) сопротивления на выходном звене модуля, угловая (линейная) скорость выходного звена, погрешность движения выходного звена.

Расчет модуля включает в себя: выбор двигателя, определение общего передаточного отношения модуля и разбивка его по отдельным преобразователям движения, разбивка погрешности движения выходного звена модуля по погрешностям его отдельных элементов, расчет отдельных элементов, выбор тормозных устройств и датчиков обратной связи, разработка стыковочных узлов, компоновка модуля.

Выбор двигателя проводят в зависимости от типа привода по требуемой мощности или по усилию на штоке цилиндра (см. раз-

дел 8.9.)

Общее передаточное отношение модуля находят как отноше-

где uj – передаточное отношение j-го преобразователя движения; n – число преобразователей движения.

Скорость двигателя и выходного звена модуля может быть как угловой, так и линейной:

w при угловом движении;

Ω

v при линейномдвижении.

510