Электрические приводы

Категория:
Роботы в промышленности


Электрические приводы

Хотя многие из читателей, возможно, не имеют опыта обращения с гидравлическими системами, каждый ежедневно так или иначе соприкасается с электрическими моторами. Независимо от того, являются ли они моторами постоянного тока (часто работающими на батареях) для заведения двигателя автомобиля или моторами переменного тока (работающими от сети) для поворота барабана сушилки или стрелок электрических часов, их возможности хорошо известны. В робототехнике используются различные типы электромоторов и, чтобы оценить преимущества и недостатки электрических приводов по сравнению с гидравлическими системами, необходимо детально разобраться и определить, какие электромоторы подходят для роботов.

Первый коммерческий промышленный робот с электроприводом был применен в 1974 г. шведской корпорацией «АСЕА». Для роботов с электроприводами применялись моторы постоянного тока не столько из-за их достаточно большой мощности, сколько из-за возможности легко управлять ими с помощью сравнительно простой электроники. Хотя и требуется постоянный ток, батареи (для неподвижных роботов) используются редко. Вместо этого переменный ток выпрямляется в эквивалентный постоянный.

Мотор постоянного тока включает набор электромагнитов, закрепленных на выходном валу, который расположен между полюсами большого магнита (постоянного или электромагнитного). Большой магнит имеет два набора полюсов и может «толкать вокруг» электромагнит с энергией. Всякий раз, когда электромагнит притягивается большим магнитом и выравнивается по положению с ним, механизм переключения на выходном валу изменяет электрические соединения с обмотками, так, что большой магнит в дальнейшем больше не притягивает эту обмотку, а притягивает другую. Таким образом, электромагниты заставляют мотор вращаться, постоянно следя за притяжением большого магнита.

Простота в управлении скоростью обеспечивается подаваемым на обмотки мотора напряжением: чем оно выше, тем быстрее вращается мотор. Подобным образом крутящий момент зависит от изменения тока. Смена полюсов изменяет направление вращения мотора. Как контроллер узнает, с какой скоростью должен перемещаться заданный узел, описано в гл. 5, но если известна величина скорости, то для того чтобы непосредственно управлять мотором постоянного тока, необходимо величину скорости привести к пропорциональному уровню электрического напряжения (а затем при необходимости усилить напряжение).

Менее известен шаговый электродвигатель. Этот тип электродвигателя обладает свойством вращаться с некоторой скоростью в одном из двух направлений, а также останавливаться в любом из точного числа чередующихся положений.

В более сложных моделях выходные валы могут поворачиваться к любому из двухсот различных угловых положений за оборот (т. е. менее двух градусов за шаг). Этот вид мотора применяют на некоторых печатных аппаратах.

Принцип действия шагового электродвигателя фактически заключается в инверсии мотора постоянного тока с большим числом электромагнитных обмоток, окружающих постоянный магнит, прикрепленный к выходному валу, и устройством механического переключения, заменяемым электронным эквивалентом. Вращение выходного вала автоматически не требует переключения соединений обмоток, которые бы не смогли заставить магнитное поле постоянного магнита «догнать» магнитное поле притягивающей обмотки. Вместо этого благодаря электронному переключению на правильную комбинацию полярностей обмотки можно сделать так, чтобы вал притягивался только к нужной катушке. Следовательно, можно узнать единственное положение вала, соответствующее конкретной комбинации переключения.

Если выбирается эквивалентная комбинация переключения, которая приводит к тому, что постоянный магнит притягивается только той обмоткой, которая следует за притягиваемой до того обмоткой, то вал будет поворачиваться на угол, равный расстоянию между смежными обмотками. Путем последующего притяжения магнита к каждой смежной обмотке можно при полном управлении заставить вращаться вал с высокой скоростью, в любой момент зная его положение. Благодаря такому контролю положения не всегда обязательно проверять, где остановился шаговый мотор, что делает его идеальным для обучаемых роботов. Для крупных промышленных роботов шаговые электродвигатели сегодня слишком дороги и маломощны, даже самые большие имеют мощность менее 1 л. с. Наибольшая полезная нагрузка для роботов с шаговыми электродвигателями составляет около 50 кг, как, например, для робота «Ло-комэн», сделанного фирмой «Пендэр Роботикс», Великобритания.

До недавнего времени считалось, что моторы переменного тока нельзя применять в роботах из-за трудностей в управлении скоростью их вращения. В простейшем виде мотор переменного тока состоит из внешних электромагнитов, размещенных вокруг центрального ротора, но без каких-либо устройств механического переключения. Однако из-за того, что переменный ток (например, в электросети) постоянно меняет полярность (сначала течет в одном направлении, а потом в противоположном несколько раз в секунду — 50 раз в Великобритании и 60 раз в США), переменный ток электроснабжения можно просто непосредственно связать с электромагнитами. Тогда изменение направления тока в обмотках будет изменять в них полярность, как это происходит при механическом переключении в моторе постоянного тока; в обмотках появится электромагнитное поле для вращения (почти так, как если бы обмотки вращались механически сами).

Скорость вращения ротора на выходном валу (которая «собирается вокруг» вращающимся полем) тесно связана с частотой изменения направлений переменного тока. В моторе переменного тока уменьшение электрического напряжения не влияет на скорость вращения; мотор будет вращаться в соответствии с частотой переменного тока до тех пор, пока напряжение не станет столь низким, что мотор остановится. Наиболее простым способом постоянного изменения скорости вращения мотора является пропорциональное изменение частоты переменного тока. Уменьшение частоты в два раза приведет к такому же снижению скорости.

До недавнего времени изменять частоту переменного тока (независимо для каждого мотора робота) было трудно. Однако благодаря развитию современных электронных устройств, способных манипулировать высокими мощностями, появилась возможность легко генерировать меняющиеся частоты, соответствующие требуемой мощности. Каждое изменение направления тока заставляет мотор некоторое время вращаться, и чем больше будет изменений в секунду, тем быстрее он будет вращаться. Такие моторы очень мощны и уже производятся. Например фирма «Фанук» включает их в конструкцию серийно выпускаемых промышленных роботов.

Принято считать, что дешевые приводы переменного тока в большинстве роботов будут в конечном счете медленно вытеснять менее долговечные приводы постоянного тока.

Рассмотренные выше электромоторы вращаются с большой скоростью, но с малым крутящим моментом. Поэтому, чтобы передать мощность от моторов к нагрузке при увеличении приводного крутящего момента, необходим передаточный механизм с высоким коэффициентом редукционной передачи. Недавно были созданы низкоскоростные моторы, развивающие высокий крутящий момент, в которых использованы магнитные материалы. Такие моторы легки и компактны и благодаря своим характеристикам могут быть связаны с нагрузкой без применения трансмиссий.

В настоящее время проводятся исследовательские работы в этом направлении, например в университете Карнеги-Меллон и МТИ, США. В таких роботах каждый узел приводится в движение непосредственно мотором без трансмиссий. Такой подход может представляться весьма спорным, поскольку каждый мотор размещается на стороне узла, приводимого в движение. Например, мотор, приводящий в действие плечо, должен преодолевать и тяжесть моторов, размещенных на локте и запястье (традиционно эти узлы приводятся в движение на расстоянии, с тем чтобы уменьшить степень, с которой масса моторов добавляется к нагрузке на другие узлы). Если трудности будут преодолены, то управляемые руки будут обладать замечательными свойствами, например отсутствием мертвого хода, низким трением и низкой податливостью, высокой надежностью и сокращенной потребностью в комплексном техническом обслуживании и переналадке. Недавно созданный в МТИ образец мотора способен развивать скорость до 5 м/с.

Другим видом электрического мотора, который может широко применяться в конструкциях роботов (особенно для больших роботов портального типа), является линейный мотор. В отличие от других традиционных конструкций электромоторов такие моторы вместо вращения создают прямолинейное движение. В принципе их можно рассматривать как моторы переменного тока, у которых «разрезали» одну сторону, затем «развернули» ее во всю длину. Управляя полярностью обмоток линейного мотора, можно заставить сердечник мотора скользить вдоль пути с высоким качеством управления. И наоборот, линейный мотор может оставаться неподвижным, а «путь» будет скользить относительно мотора. Преимуществом линейных моторов является то, что они не требуют ни подшипников, ни трансмиссци, поэтому потребности в техническом обслуживании очень низки. Моторы способны очень быстро набирать ускорение и могут передвигаться со скоростью около 1 м/с.

Линейные моторы редко применяются даже в исследовательских роботах. Возникает вопрос: что предпочтительнее— электрические приводы или гидравлические? Что касается роботов первого поколения, то гидравлические моторы применяются в тех, которые используются для перемещения предметов полезной нагрузкой больше 10 кг, несмотря на то, что первые гидравлические роботы имели резкие рывки при движении, подтекали и были ненадежны. Легкие роботы, обычно работающие в менее вредной среде, как правило, приводились в движение моторами постоянного тока, так как высокая стоимость сервоклапанов препятствовала применению гидравлики.

Однако, несмотря на значительное увеличение надежности, гидравлические приводы стали реже применяться не только для легких роботов, предназначенных Для выполнения таких операций, как сборка, но и для тяжелых работ. Крупнейший в мире робот, созданный фирмой «Ламбертон Роботикс», манипулирует предметами с полезной нагрузкой 1,5 т, используя электрические сервомеханизмы постоянного тока. Использование электроприводов можно объяснить тем, что обслуживание любого робота требует электриков и механиков, а гидравлические роботы нуждаются еще и в других специалистах.

Электроприводы обычно энергетически более эффективны, чем их гидравлические эквиваленты, и в целом роботы склонны стать бесшумными. В ряде случаев, например по соображениям безопасности, предпочтение может отдаваться скорее гидравлическим, чем электрическим, приводам (способным при искрении вызвать пожар в воспламеняемой среде). Гидравлические системы обладают способностью выдерживать сильные механические удары. По-видимому, для тяжелых работ гидравлика в ближайшем будущем будет оставаться наиболее эффективным по стоимости вариантом. Следует отметить, что сборочный робот «ИБМ-7565» с максимальной полезной нагрузкой в 2,3 кг приводится в движение гидравлически. Некоторые роботы смешанного типа также используют гидравлические приводы для главных осей, а электроприводы — для запястья.

Очевидно, для мобильных роботов выбор следует остановить на электроприводах как для создания тягового усилия (в некоторых небольших мобильных роботах используются шаговые моторы), так и для манипулятора, который несет на себе подвижная платформа. Сам манипулятор вряд ли будет большим (если платформа должна транспортировать его), так что электромоторы, вероятно, применялись бы даже тогда, когда он был бы немобильным. С другой стороны, платформа должна перемещать не только себя и любой манипулятор, но также и энергооборудование. В настоящее время наиболее распространенным видом энергооборудования являются автомобильные аккумуляторные свинцо-во-кислотные батареи, которые позволяют роботам действовать несколько часов. Электрический гидравлический насос, конечно, более экономичен, чем аккумулятор (при снабжении энергией гидросистемы), неэффективное преобразование энергии из электрической в гидравлическую значительно бы уменьшило период, в течение которого робот мог бы работать без перезарядки.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум