Методическое пособие 722

Рис. 3.1

Рис. 3.2

Рис. 3.3

90

Рис. 3.4

91

3.3. Ориентирующие локальные приводы

Важное применение привода с внешними магнитными системами – это локальные (ориентирующие) степени подвижности. Они характеризуются тем, что движение захваченной детали осуществляется приблизительно вокруг центра тяжести, т.е. так же, как и в захватных устройствах, имеющих некоторую точку в пространстве, и где может быть размещен активный токопроводящий элемент во внешнем магнитном поле.

Рассмотрим такой привод более подробно. На рис. 3.5 изображен робот – вид сверху, на рис. 3.6 – вид спереди с одной из магнитных систем, на рис. 3.7 – вид сбоку при отведенной руке с кистью.

Робот включает в себя схват 1, ориентирующую головку 2 с приводом поворота, включающим в себя двигатель с ротором 3, закрытым защитным немагнитным колпаком. Двигатель не имеет магнитной системы, соединенной с его корпусом. Магнитные системы установлены вне привода робота и состоят из магнитопроводов 5, источника магнитного поля 6, например постоянного магнита, стойки 7, привода подъема, состоящего из поступательной пары 8 со штоком 9 и двигателя 10, укрепленного на основании 11.

На рис. 3.5 пунктиром показано выдвинутое положение руки. На рис. 3.6 пунктиром показана магнитная система в опущенном положении. Робот снабжен платформой 12, на которой установлены звено 13, приводы: перемещения звена 14, руки 15, а также руки 16. Магнитные системы могут иметь и другие приводы, обеспечивающие их перемещение по другим координатам. В составе модуля привода, кроме двигателя и редуктора, обязательно присутствуют фиксирующие устройства (тормоз). Робот может иметь несколько магнитных систем, по числу точек позиционирования.

Функционирование переносных степеней подвижности робота приводов 15, 14, поворота платформы 12 отличается от функционирования обычных проводов роботов. Это касается и схвата 1. Он выполнен обычного типа, т.е. с «несомой» магнитной системой. Работа же приводов ориентирующих степеней, например привода 2, ротации схвата 1, имеет существенные особенности. В частности, работа двигателя (ротора 3) возможна лишь в случае, когда ротор охвачен магнитной системой – магнитопроводами 5. Соответствующее позиционирование обеспечивается переносными степенями подвижности. Если ротор 3 расположен в зазоре магнитной системы, то двигатель, вращаясь, обеспечивает при подаче на ротор тока вращение головки со схватом. Во всех других состояниях вне магнитной системы привод заторможен. Для увеличения рабочего пространства магнитные системы снабжены приводами перемещения, которые могут иметь или обеспечивать иные точки позиционирования или убирать магнитные системы с траектории перемещения руки.

92

Рис. 3.5

Рис. 3.6 Рис. 3.7

93

Приводы выполняются позиционными, управляемыми от общего центра управления роботом. Уменьшение постоянной времени привода, вызванное уменьшением массы двигателя, приводит к увеличению ускорения, а следовательно, и приемистости по скорости – основной характеристики привода. Это является следствием уменьшения движущихся масс, и, следовательно, механической инерционности системы «двигатель – объект управления». При этом также увеличивается производительность робототехнических комплексов. Иногда рассматривают удельные показатели, например, усилие на единицу массы, мощность на единицу массы и т.д. При этом такие показатели определяются отдельно для редуктора и для двигателя.

Масса модуля несколько уменьшается при применении высокоскоростных двигателей, но при этом увеличивается передаточное отношение, уменьшаются ресурсы двигателей. Обычно считается, что теоретически пределом уровня использования массы модуля является уровень использования массы редуктора. В нашем случае это положение нуждается в изменении. Двигатель имеет такой же, если не больше, уровень использования массы, что и редуктор. Применение метода внешних потоков позволяет уменьшить массу двигателей модулей ПР в 4-5 раз для классического использования и в 10-12 раз для двигателей с печатным дисковым якорем. При этом необходимо учитывать ограничения на координаты, заключающиеся в том, что работа модулей возможна лишь в случае нахождения в воздушном зазоре магнитной системы.

В этой связи целесообразна разработка и выпуск специальных модификаций двигателей с консольным исполнением вала и немагнитным защитным колпаком, предназначенных для работы в составе модулей с внешними магнитными системами. Это упростит конструкцию двигателя, поскольку в этом случае у двигателя отсутствует магнитная система.

Для подтверждения возможностей значительного уменьшения массогабаритных показателей модуля ПР реализован макет привода с внешним потоком.

Привод включает в себя двигатель (якорь) типа ДПМ-30 и редуктор, приводящий в движение схват манипулятора грузоподъемностью 200 г. По сравнению с двигателем ДПМ-30 обычного исполнения (с корпусом), масса двигателя снизилась с 220 до 65 г. Общая масса модуля снизилась до 158 г, первоначальное значение массы – 330 г. Таким образом, уровень использования массы двигателя по моменту практически приблизился к соответствующему показателю редуктора.

Основными особенностями процессов, проходящих в двигателе при этом, являются следующие:

1.Увеличенный воздушный зазор. Его увеличение диктует неизбежные погрешности позиционирования, а также наличие немагнитного защитного экрана.

2.Измененная конфигурация магнитного поля. Здесь необходимо учитывать наличие двух вариантов магнитных систем: в первом случае – внешняя

94

магнитная система с полукруглыми полюсами цилиндрического типа. Изменения конфигурации поля обусловлены лишь эксцентриситетом и толщиной немагнитного экрана.

Во втором случае магнитная система имеет плоские полюса, поле магнитной системой – плоскопараллельное, если не учитывать краевые эффекты. При вводе цилиндрического якоря будет наблюдаться концентрация поля у боковых краев.

3.4. Приводы переносных (региональных) степеней подвижности

Концепция внешних магнитных систем может быть перенесена и на приводы основных – переносных – степеней подвижности роботов. При этом манипулятор выполняется преимущественно в сферической системе координат, так как необходимо обеспечить установку максимума магнитных систем на неподвижном основании.

На рис. 3.8 изображен схематично манипулятор, вид сбоку в разрезе, на рис. 3.9 – вид сзади, на рис. 3.10 и 3.11 показан один из активных элементов с магнитной системой, вид сбоку и сверху соответственно. На рис. 3.12 показана работа элемента при параллельном соединении катушек, что обеспечивает поворотные и азимутальное перемещения, на рис. 3.13 показана работа элемента при последовательном соединении катушек, что обеспечивает выдвижение руки манипулятора. На рис. 3.14 показана схема силового блока (одной ячейки), на рис. 3.15 – схема ячейки коммутирующего блока, на рис. 3.17 – пространственная схема одной группы элементов.

Манипулятор состоит из руки 1 со схватом 2, двух групп 3 и 4 активных элементов, расположенных вдоль руки. Каждая из групп состоит из 2 пар элементов, например, 5 и 6 в горизонтальной плоскости, 7 и 8 в вертикальной плоскости.

Каждый из восьми элементов (рис. 3.10 и 3.11) включает в себя: собственно токопроводящий виток 9, планку 10, с помощью которой виток крепится к шарниру руки 1. Магнитная система, в поле которой помещен виток 9, состоит из двух катушек 11 и 12, укрепленных на перекладинах 13 параллельно руке 1. Аналогичная пара катушек перекладины 14 расположена с другой стороны витка. Магнитные системы крепятся на основании 15. На основании закреплены и боковые магнитопроводы 16. Выводы токопроводящего витка подключены к клеммам 17 и далее к силовому блоку. Силовой блок (рис. 3.14) состоит из восьми сильноточных ячеек, коммутирующий блок состоит из восьми слаботочных ячеек. Сильноточная ячейка включает в себя источник 18 постоянного тока, реверсивный ключ 19, управляемый от командного триггера 20, виток 9 с клеммами 17. Слаботочная ячейка (рис. 3.15) включает в себя источник 21, ключ 22, осуществляющий реверсирование тока в одной из катушек, например 12, командный триггер 23. Основания 17

95

ипланки 10 закреплены в шарнирах 24, ось которых параллельно руке 1, шарниры прикреплены к руке 1 (со стороны планки 10) и к каркасу 25 (со стороны оснований 15).

Магнитопроводы 13 и 14 имеют немагнитные вставки 26. Торцы катушек снабжены антифрикционными накладками 27.

Работа манипулятора. Каждая из групп активных элементов может работать в двух режимах: угловом и линейном. Прием в угловом режиме обеспечивается управлением рукой по двум углам: в горизонтальной плоскости

ив вертикальной. Соответственно каждый из элементов может работать в двух режимах.

Рассмотрим режим углового перемещения. В этом случае катушки 11

и12 соединяются так, что их поля направлены согласно, виток 9 (рис. 3.10) оказывается размещенным в поле, силовые линии которого равномерно пронизывают виток в одном направлении (сплошные линии на рис. 3.11). В этой ситуации на виток, при прохождении по нему тока, действуют силы, стремящиеся увеличить площадь витка равномерно по всем направлениям. Так как концы витка закреплены, а исходное положение витка – сжатое (рис. 3.12), то электромеханические усилия стремятся придать витку форму окружности, т.е. распрямить первоначальный овал. В итоге подвижный элемент получает перемещение вверх. Перемещение будет при перемене полярности тока в витке.

Для уменьшения магнитного сопротивления элемента имеются дополнительные боковые магнитопроводы 16.

Рассмотрим теперь режим линейного перемещения. В этом случае обмотки катушек 11 и 12 включаются встречно. Плоскость витка пронизывает поле,

которое с каждой из боковых сторон витка имеет разное направление и замыкается по противоположному магнитопроводу с катушками (рис. 3.11). В итоге боковые стороны витка стремятся переместиться вправо или влево (рис. 3.13). Направление перемещения определяется направлением тока в витке. Направление линий поля показано для этого случая на рис. 3.11 пунктиром.

Обслуживание рабочей зоны в сферической системе координат

обеспечивается за	счет работы одной из групп элементов (например 3)
в угловом режиме,	а другой группы (например 4) – в линейном режиме.

Т.е. элементы 5 и 6 разворачивают схват в горизонтальной плоскости, элементы 7 и 8 – в вертикальной, а элементы группы 4 осуществляют выдвижение или вдвижение руки 1.

Различная комбинация этих движений обусловливает обслуживание рабочей зоны.

Питание элементов осуществляется от сильноточного 18 и слаботочного 21 источников. Команда на реверсирование сильноточного источника, а также на реверсирование одной из катушек и переключение катушек с последовательного на параллельное соединение поступает от системы управления на вход триггеров 20 и 23 и далее – на коммутирующие переключатели 19 и 22.

Оси всех шарниров 24, расположенных вокруг руки 1, параллельны руке.

96

Рис. 3.8 Рис. 3.9

Рис. 3.10

Рис. 3.11

97

Рис. 3.12 Рис. 3.13

Рис. 3.14

Рис. 3.15

Рис. 3.16

Рис. 3.17

98

Ключи 19 и 22 представляют собой обычные реверсоры, принципиальная схема их силовой части приведена на рис. 3.16. Магнитные системы элементов выполнены на основе использования катушек и магнитопроводов серийных реле. Витки элементов выполнены из медной фольги. Позиционирование манипулятора осуществляется от упора до упора, т.е. по цикловому принципу.

При установке в активных элементах датчиков положения возможна работа и в режиме управления от позиционной или контурной схем.

Имеется несколько вариантов управления манипулятором.

1.Противофазное управление. Элементы первой и второй групп подключаются так, что одновременно включенные элементы располагаются по разные стороны руки (т.е. в противофазе). В этом случае имеем сферическую систему координат, причем в двух вариантах: с вращением относительно центра первой группы и относительно второй.

2.Синфазное управление. Одновременно включатся элементы, расположенные по одну сторону руки. Манипулятор работает в прямоугольной системе координат.

3.Комбинированное управление. Возможна комбинация противофазного управления как во времени, так и по различным группам силовых элементов (степеням подвижности).

По сравнению с другими манипуляторами подобного класса, у описываемого манипулятора повышается такой показатель, как усилие на единицу движущей массы, что увеличивает быстродействие манипулятора. Это увеличение происходит за счет того, что магнитные системы элементов (их наиболее массивная часть) прикреплены к основанию шарнирами, имеющими лишь одну степень свободы, к тому же ограниченную габаритами элементов. Подвижная часть у руки манипулятора с прикрепленными к ней ветками имеет значительно меньшую массу. В итоге можно достигнуть высокого уровня использования привода по усилию.

Применение указанных движущих элементов позволяет развивать

скорости до 5 м/с, что выше скоростей существующих приводов роботов. C учетом вышеизложенного, улучшение показателя усилия на единицу массы и увеличение скорости перемещения позволяет повысить производительность робота, в состав которого входит манипулятор.

Интересно отметить, что если между планкой, скрепленной с рукой, и основанием в каждом подвижном элементе поместить пружину или выполнить сам виток (витки) из пружинного материала, то получим резонансного робота. При этом возможна, при надлежащем устройстве системы управления приводом, поочередная работа активных элементов: то в двигательном, то в генераторном режимах. Это позволяет регулировать энергию, уменьшить потребляемую мощность, что вообще характерно для резонансных роботов.

99