Электропривод механизма выдвижения руки манипулятора (стр. 1 из 4)
Содержание
1. Введение
2. Выбор оптимальной системы электропривода
3. Выбор передаточного механизма и расчет мощности электродвигателя
4. Моделирование режимов работы электропривода и процессов управления
5. Разработка электрической схемы
6. Разработка конструкции
7. Методика настройки привода
8. Заключение
9. Список литературы
1. Введение
Промышленные роботы и построенные на их основе роботизированные комплексы являются перспективным средством комплексной автоматизации производственных процессов. Применение роботов позволяет существенно повысить производительность труда, эффективность действующего и вновь проектируемого оборудования, а также избавить человека от монотонных, физически тяжёлых и вредных для здоровья работ.
Роботы могут перемещать объект манипулирования с заданной скоростью по сложным пространственным траекториям. Их можно легко перенастраивать и перепрограммировать. Благодаря этим свойствам роботы успешно используют для гибкой автоматизации процессов сварки [9], окраски, сборки, обслуживания в общем, комплексе различного технологического и транспортного оборудования. В последнее время в связи с задачами комплексной автоматизации производства и освоение новых областей деятельности человека (под водой, в опасных средах, в космосе ) большое внимание уделяется автоматизации операций манипулирования- перемещение и ориентации изделий и инструмента.
Манипуляторы при свободном перемещении рабочего органа представляют собой пространственный механизм с разомкнутой кинематической цепью. Его звенья связаны кинематическими парами пятого класса (вращательными или поступательными), оснащёнными приводами. Каждая такая кинематическая пара с приводом обеспечивает одну степень подвижности манипулятора. Число, вид и взаимное расположение степеней подвижности определяют манипуляционные возможности устройства.
Для автоматизации повторяющихся операций манипуляторы снабжаются системой программного управления. Манипуляторы с малым количеством степеней подвижности (n=1…3), работающие по жёсткой программе, называют автооператорами. Однако эти признаки условны, так как любое автоматическое устройство обычно предусматривает возможность перенастройки, в том числе замену механического программоносителя- кулачка, для старых моделей манипуляторов. Свободно программируемые автоматические манипуляторы с большим числом степеней подвижности (n=5…6), используемые в промышленном производстве, называют промышленными роботами.
2. Выбор оптимальной системы электропривода
В промышленных роботах и манипуляторах применяются пневматические, гидравлические, электрические приводы.
Электрические приводы стали значительно шире использоваться в последние годы в связи с успехами электромеханики и вычислительной техники (в системах управления). Сейчас 40…50% выпускаемых промышленных роботов имеют электроприводы. Они используются в основном в промышленных роботах при средней [7] грузоподъемности и большом числе степеней подвижности (3…6). Точность позиционирования этих приводов большая, чем в других приводах (до
мм и точнее) за счёт использования систем управления с обратными связями. Преимуществами электропривода являются более высокая по сравнению с другими типами приводов экономичность, более высокий КПД, удобство сборки, хорошие регулировочные свойства. Они применяются как в позиционном так и в контурном режимах работы.В электроприводе промышленных роботов с контурным управлением широко применяются двигатели постоянного тока ДПТ и вентильные двигатели. Применение ДПТ обусловлено [6] удобством и простотой регулирования скорости и момента. Для подобных целей они используются уже давно (например, в санках с ЧПУ), поэтому основные узлы схем управления достаточно хорошо отработаны, имеются типовые решения, обслуживающий персонал на предприятиях подготовлен к эксплуатации таких приводов. Однако в настоящее время появились комплектные электроприводы, классифицируемые как сервоприводы, где применяются гибридные шаговые двигатели.
По мере расширения областей применения шагового двигателя улучшались и его технические характеристики. Появились новые конструкции ШД с использованием редкоземельных магнитов, так называемые гибридные ШД, которые по стоимости, на сегодняшний день, приблизились к своим предшественникам, а по развиваемой мощности превосходят последних в несколько раз. В результате у ШД появилось дополнительное конкурентное преимущество - это высокий момент на малых оборотах вращения. Например, момент удержания ШД в 2-3 раза выше, чем у синхронного двигателя эквивалентных массогабаритных показателей. Поэтому использование ШД в ряде случаев позволяет исключить редуктор из механической системы и, следовательно, снизить себестоимость автоматической системы в целом.
Совершенствование методов управления позволило свести к минимуму отрицательные качества, присущие ШД.
Проблему пропуска шагов наиболее эффективно можно решить за счет внедрения в привод датчика позиции и использования высокопроизводительного сигнального процессора. Причем, во избежание значительного увеличения стоимости привода, возможным решением является разработка мехатронного привода на базе ШД, представляющего собой интегрированное устройство, в состав которого входит сам двигатель, система управления и датчик позиции вала. В этом случае в качестве датчика можно использовать бескорпусные ОЕМ-датчики.
При наличии двух таких компонент как сигнальный процессор и датчик позиции в одном устройстве можно отказаться от использования шаговых методов управления и построить систему управления на основе алгоритма векторного управления. Данный метод уже давно используется в сервоприводах на базе синхронных и асинхронных двигателей.
Алгоритм векторного управления основан на поддержании угла 90 градусов между текущей позицией ротора в рамках одного полюса и вектором токов в обмотках двигателя.
Как видно из графика зависимости момента от угла между текущей позицией и вектором тока максимальная эффективность достигается именно при угле 90 градусов.
При этом расчет текущего угла необходимо выполнять в реальном времени с высокой частотой, так как при формировании токов вал ротора всегда стремится в позицию, заданную вектором токов.
Такой способ обеспечивает высокую эффективность управления: исключается колебание момента, развиваемого двигателем и, как следствие - вибрация; обеспечиваются высокие динамические показатели; исключается пропуск шагов.
Помимо основного функционала, наличие на «борту» сервопривода современного сигнального процессора позволяет реализовать в рамках системы управления множество дополнительных функций, таких как:
- Программируемый логический контроллер.
- Интерполятор.
- Электронный редуктор.
- Обработка концевых датчиков.
- Контроль температуры.
- Защита от КЗ.
- Защита от пониженного и повышенного напряжения питания.
- Торможение с регулированием вырабатываемого противо ЭДС.
Наличие перечисленных функций позволяет увеличить надежность системы, снизить износостойкость оборудования, а в ряде случаев исключить внешний контроллер управления движением.
Использование передовых методов управления делает возможным применение шаговых двигателей в современных сервосистемах наряду с сервоприводами на базе синхронных и асинхронных двигателей. В свою очередь, использование мехатронного подхода обеспечивает снижение себестоимости такого привода до приемлемых значений, что традиционно свойственно шаговым приводам.
3. Выбор передаточного механизма и расчет мощности электродвигателя
Прежде, чем выбрать двигатель необходимо рассмотреть сам манипулятор, и привести необходимые параметры к валу двигателя.
Манипуляторы – технические устройства для воспроизведения некоторых двигательных функций рук человека.
Для механизма выдвижения руки манипулятора выбираем шарико-винтовую передачу. Даная передача обеспечивает достаточно высокий коэффициент полезного действия(до 0,9), имеет большой ресурс и малые габариты.
По предоставленным методикам, предоставленным фирмой «SBC Linear Co» выбираем параметры передачи:
- диаметр винта dВ=32 мм;
- шаг винта tВ=10 мм;
- длина винта LВ=1,1 м.
Для данного механизма скорость гайки:
,где tB – шаг винта(мм), nB – частота вращения винта(об/мин).
Частота вращения винта:
Найдем массу винта, учитывая, что плотность стали
: 
Передаточное число механизма:
Момент инерции винта:
;Момент инерции поступательно движущейся руки:
;Суммарный момент инерции механизма:
;Представим тахограмму перемещений для механизма:
Рис.1. Тахограмма перемещений
Максимально перемещение при максимальной скорости:
,где S –пройденный путь.