Сравнительная оценка приводов.

Гидравлический привод: используется в ≈ 30% ПР. Гидравлические роботы обладают, как правило, большой и сверхбольшой грузоподъемностью. Гидропривод обладает следующими достоинствами:

• высоким быстродействием;
• используется в качестве рабочего тела несжимаемой жидкости, что позволяет получить высокую стабильность скорости выходного звена при изменении нагрузки в широком диапазоне, высокую точность позиционирования, высокую частоту реверсирования движения;
• бесступенчатость регулирования скорости выходного звена;
• большой коэффициент усиления по мощности (свыше 1000), высокий к.п.д. при различных способах регулирования;
• малая относительная масса гидромашин;
• отсутствие дополнительных кинематических цепей между выходным звеном привода и РО робота.

К основным недостаткам гидропривода относят:

• использование в качестве рабочего тела жидкости требует создания специальных насосных установок. Вследствие требования мобильности и автономности роботов насосные установки должны устанавливаться в конструкции робота, что резко увеличивает его массу;
• 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 насосном участке достигает значительной величины. Это приводит к увеличению стоимости обслуживания;
• стоимость элементов гидроприводов выше, чем пневмо- и электропривода;
• предел рабочих температур жидкости привода ограничен (150⁰С), что приводит к невозможности его эксплуатации в среде с повышенной температурой; кроме того, с изменением температурной жидкости в процессе работы изменяются свойства жидкости, а следовательно, и скорость выходного звена.

Пневматический привод: 40 – 50% всех выпускаемых ПР имеют пневматический привод. ПР с пневматическими приводами обладают грузоподъемностью в среднем до 20 кг (при мощности 60 – 800 Вт) для одной степени подвижности.

Основные преимущества:

· простота и надежность конструкции;

· высокая скорость выходного звена привода:

- при линейном перемещении до 1000 мм∕с;

- при вращении до 60 мин^-1;

· использование сжатого воздуха в качестве рабочего тела;

· возможность использования сжатого воздуха из заводской пневмосети с давлением 0,5 – 0,6 МПа;

· высокая точность позиционирования по точкам;

· возможность работы в агрессивной и пожароопасной среде;

· отсутствие промежуточных передаточных звеньев между выходным звеном привода и РО работа;

· высокий к.п.д. (0,8);

· малая относительная масса конструкции привода на единицу развиваемой мощности;

· простота компоновки;

· низкая стоимость как конструкции привода, так и ПР и малые затраты на обслуживание;

· малая чувствительность к ударам, перегрузкам и вибрациям.

Недостатки:

• нестабильность скоростного выходного звена при изменении нагрузки вследствие сжимаемости рабочего тела при малых и средних давлениях;
• ограниченность точек позиционирования (чаще две точки) в приводах с цикловым управлением; увеличение числа точек позиционирования требует использование специальных конструкций позиционирующих устройств;
• необходимость демпфирования движения выходного звена в конце хода, т.к. при больших скоростях движение выходного звена при подходе к упорам возможны сильные удары;
• наличие шума при работе привода.

Электропривод. Электроприводы активно используются в ПР. Они не применяются только в ПР, предназначенных для работы во взрывоопасных средах и для работы с машинами, оснащенными гидросистемами, по соображению унификации.

В ПР применяются приводы с высокомоментным двигателем постоянного тока, асинхронным двигателем, бесколлекторными двигателями постоянного тока и силовыми шаговыми двигателями.

Особенностями электропривода являются расширенный (до 0,05 Н∙м) диапазон малых моментов, повышенная максимальная частота вращения (15∙10³ мин^-1), уменьшенная инерция двигателей, возможность встройки в двигатель э\м тормозов и различных датчиков, а также механических и волновых передач.

Основные достоинства:

• компактная конструкция двигателя;
• высокое быстродействие;
• равномерность вращения;
• высокий крутящий момент на максимальной скорости;
• высокая надежность;
• высокая точность (за счет применения цифровой измерительной системы с высокоточным импульсным датчиком);
• низкий уровень шума и вибрации;
• эксплуатация без проверки и обслуживания (использование бесколлекторных двигателей).

Недостатки:

• наличие щеток в коллекторах двигателя постоянного тока;
• ограниченное использование во взрывоопасных средах;
• большая зависимость скорости выходного звена от нагрузки, что приводит к необходимости создания дополнительных контуров регулирования;
• наличие дополнительной кинематической цепи между электродвигателем и РО ПР.

По виду использования двигателей приводы можно разделить:

• приводы с двигателем поступательной прямолинейного перемещения (гидроцилиндры, пневмоцилиндры, линейные электродвигатели);
• приводы с вращательным малооборотными двигателями (роторные гидро- и пневмоцилиндры, радиально-поршневые гидромоторы);
• приводы с высокооборотными вращательными двигателями (электродвигатели, аксиально-поршневые гидромоторы, пневмодвигатели).

Приводы первых двух типов в некоторых случаях могут соединяться с исполнительными звеньями вообще без помощи передаточных механизмов. Т.е. непосредственно или с помощью компенсирующих муфт. При этом конструктивная механическая система значительно упрощается. Приводы третьего типа требуют обязательного наличия редукторов для согласования скоростного движения и силовых характеристик ведущих валов двигателей и исполнительных звеньев.

По типу управления различают:

1. Разомкнутые приводы с позиционированием по жестким механическим или другого вида упорам; для этих приводов характерно использование цикловых СУ, т.к. в этом случае величина перемещения не программируется, а устанавливается заранее регулировкой упоров;
2. Разомкнутые приводы с цифровым управлением, где в качестве двигателей может быть использованы шаговые двигатели или составные цилиндры (позиционеры);
3. Следящие приводы с обратной связью по положению, а также по некоторым другим параметрам (скорости, силе и т.д.). В ПР чаще используется следящий гидропривод и электропривод постоянного тока. Эти приводы пригодны как для позиционных, так и контурных СУ.

По способу регулирования. Поступающей и отводимой от механической системы энергии: активный и пассивный. В активном приводе регулируются активные силы, задаваемые двигателем; в пассивном – силы, отбираемые от механической системы (тормозные силы). Большинство использование приводов является активным.

При выборе типа привода рассматриваются факторы, связанные с функционированием ПР: технические характеристики ПР, условия эксплуатации, характеристики объектов, с которыми ПР должен взаимодействовать, факторы технологически-экономического характера – простота, технологичность, стоимость, энергоемкость и др. Важным является наличие и качество комплектующих. Выбор типа привода должен происходить совместно с определением типа и структуры СУ.

Важной задачей является определение потребностей мощности двигателя, которые на стадии проектирования производят приближенно ввиду отсутствия точных знаний массы звеньев и координат их центров тяжести.

Рассмотрим манипулятор, работающий в сферической системе координат.

Заданы следующие параметры: m – масса переносимого груза, кг; r – максимальный радиус действия, м; φ, S – пределы перемещения груза по координатам, рад или м; ω, V – номинальная скорость перемещения груза по координате, с^-1, м/с.

Мощность двигателя поворотной колонны:

(1)

где М_н – момент неуравновешенности, возникающий от неуравновешенности масс (включая переносимый груз) относительно оси вращения, Н·м;

М_п – динамический момент, возникающий в периоды разгона и торможения, Н·м;

η – к.п.д. передачи, связывающий двигатель с используемым звеном.

Динамический момент:

(2)

где ε – угловая скорость, м/с²;

Y_н – момент инерции вращающихся частей машины, кг·м².

Для оценки динамического момента сделаем следующие допущения: закон изменения скорости по координате – трапецеидальный, т.е. разгон и замедление происходит с постоянным ускорением; длина пути разгона φ_р(S_р) = длине пути замедления φ_т(S_т) и составляет некоторую часть общего пути перемещения φ(S): φ_р = φ_т = к₁·φ.

Величина коэффициента к₁ определим исходя из следующего: при заданной скорости (ω, V) перемещения по координате быстродействие будет тем больше, чем меньше к₁. Но слишком малая величина к₁ вызовет большие динамические перегрузки на механизмы привода, что приведет к преждевременному выходу из строя ПР. Задаваясь допустимой величиной таких нагрузок, равной 1,5. При этом максимальная величина ускорения переносимого груза и элементов конструкции ПР не превышает g/2 или 5 м/с².

Для привода ПР с линейным перемещением на 1 м, скоростью 1 м/с длина пути разгона

, а

Этим значением к₁ и пользуются при ориентировочном расчете мощности.

Ускорение, выраженное через параметры, заданные в условии, имеет вид:

, (3)

Момент инерции:

, (4)

где - момент инерции от максимально переносимого ПР груза на максимальном радиусе вращения;

Y_м – момент инерции вращающихся частей манипулятора при максимальном радиусе переноса;

к₂ – коэффициент конструкции (к_{2экспериментальн.} = 1,8 ÷ 2,3).

Примем к₂ = 2. Подставив значения величины из (3), (4) в формулу (2) получим выражение для динамического момента

(5)

Момент неуравновешенности

,

где к₃ – коэффициент конструкции, учитывающий момент неуравновешенности подвижных частей относительно оси вращения;

α – угол наклона плоскости вращения к горизонтали.

Подставляя (5) и (6) в формулу (1), получим выражение для расчета мощности привода вращательных координат:

(7)

Для механизма вращения руки относительно вертикальной оси ОZ α = 0.При значениях к₁ = 0,1 и к₂ = 2 получим мощность в Вт:

(8)

Для механизма качания руки относительно горизонтальной оси ОХ α = 1,57 рад. Принимая к₃ = 1 (механизм манипулятора уравновешен без груза), получим мощность в Вт:

(9)

Для координаты с прямолинейным постоянным движением мощность привода:

(10)

где Р_п - инерционная сила, действующая на привод в период разгона и замедления, Н;

Р_н – сила, действующая на привод от неуравновешенности масс (в том числе переносимого груза), Н.

На рисунке показана расчетная схема механизма радиального выдвижения руки робота, для которой

(11)

где к₄ – коэффициент конструкции, учитывающий массу подвижных частей манипулятора.

(m_н – общая масса перемещающихся частей).

Рассуждая аналогично случаю с вращательной координатой, найдем выражение для линейного ускорения а и инерционной силы Р_п:

(12)

Сила Р_п возникает от массы перемещающихся частей манипулятора. Наихудший вариант нагружения привода – при максимальном угле наклона α к горизонтали

(13)

Мощность прямолинейного движения

(14)

Для приводов с горизонтальными перемещениями α = 0, например, для манипуляторов, работающих в циклической системе координат. Тогда к₁ = 0,1 и к₄ = 2.

(15)

Для приводов с вертикальным перемещением α = 1,57 рад.

(16)

Краткая методика схематического расчета энергетических параметров привода:

1. Ориентировочный расчет по исходным данным мощности двигателя (формулы (7) – (9); (14) – (16)).
2. Выбор по каталогу подходящей мощности двигателя с различными ω_д и М_д.