Приводы промышленных роботов

Под приводом ПР понимается совокупность технических средств, предназначенных для приведения в движение всех звеньев манипуляционной системы и схвата рабочего органа в соответствии с требованиями производственного процесса. В функциональном отношении привод помещается между устройством управления ПР и звеньями манипуляционной системы так, как это показано на рис. 1.

Рис. 1. Общая структура привода промышленного робота.

В общем случае привод состоит из энергоустановки (преобразователя энергии) двигателей, передаточных механизмов, блока управления двигателями, тормозные устройства, датчики обратной связи и коммуникации.

По степени управляемости различают приводы:

- нерегулируемые, обеспечивающие движение звеньев с одной рабочей скоростью;

- регулируемые, обеспечивающие заданную скорость движения при изменяющихся параметрах привода;

- следящие, обеспечивающие перемещение звена с заданной точностью при произвольном задающем сигнале;

- адаптивные, автоматически выбирающие оптимальные параметры управления при изменении условий работы.

Силовыми модулями манипуляторов промышленных роботов служат различные типы приводов – электрические, гидравлические, пневматические.

Наиболее удобны в эксплуатации электроприводы, так как гидро- и пневмоприводы имеют склонность к утечкам рабочего тела и требуют специальных станций питания, издающих шум.

Кроме двигателя в состав привода для каждой степени подвижности входят: усилители мощности, передаточные устройства, а также корректирующие цепи, датчики обратных связей по скорости и положению, а иногда и силомоментные датчики. Их наличие полностью необходимо в замкнутых следящих приводах для контурных и контурно-позиционных систем управления. Основными параметрами привода являются: мощность, быстродействие и точность отработки командных сигналов. Для выбора того или иного типа привода при конструировании ПР наиболее существенным является вид энергии. Поэтому одна из распространенных классификаций приводов основана на этом признаке (рис. 2).

Рис. 2. Классификация приводов

 

Применение приводов в промышленной робототехнике обусловлено рядом специфических особенностей и требований.

1. Современные промышленные роботы имеют большое количество управляемых координат (от 3 до 7), сложную кинематическую структуру, каждая из координат управляется отдельным приводом.

2. Для выполнения заданной технологической операции необходимо обеспечить групповое управление приводами координат.

3. Особое значение имеет задача обеспечения высокой точности позиционирования по каждой координате при напряженном динамическом режиме работы и большом количестве кинематических пар.

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

 

4. Широко изменяется диапазон нагрузок на привод с преобладанием инерционных усилий. Этот фактор в значительной степени определяет выбор типа привода.

5. К приводам промышленных роботов, в частности к исполнительным элементам, предъявляются жесткие требования по минимальным габаритным размерам и массам при высоких энергетических показателях, обеспечивающие большое значение отношения выходной мощности к массе.

6. Приводы промышленных роботов должны длительное время работать в неподвижном, заторможенном состоянии.

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

7. Требуются большой ресурс работы и высокая надежность при значительных динамических нагрузках и безрегламентной эксплуатации.

 

Сравнительная характеристика приводов ПР.

 

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.

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.

Электрический привод