1.Применение в роботостроении качественных материалов, обеспечивающих функционирование привода при меньших массе и объеме. Однако этот путь приводит к существенному увеличению первоначальной стоимости привода.
2.Увеличение интенсивности энергетических потоков, в частности, повышение плотности тока, удельной магнитной энергии. Однозначно повышаются и тепловые нагрузки, что ведет к необходимости установки системы охлаждения, температурного контроля и регулирования. При этом увеличиваются эксплуатационные расходы, уменьшается срок службы привода.
3.Существует также третий путь улучшения массо-габаритных показателей. Он связан с тщательным весовым анализом, нахождением совершенных конструктивных решений, обеспечивающих заданные требования. Одним из способов его реализации является применение внешних, не связанных конструктивно с роботом, магнитных систем. В зазоре магнитных систем размещаются при позиционировании активные элементы привода. Таким
образом, элемент с наибольшей массой – магнитная система – не входит в состав привода, а располагается отдельно. Это существенно уменьшает массу и габариты привода. При этом уменьшается стоимость за сч т того, что магнитные системы могут выполняться не из редкоземельных металлов и располагаться вне робота.
Кроме того, следует рассматривать не только отдельные, пусть даже достаточно малые, элементы привода с точки зрения их массы, а необходимо проанализировать также уровни использования проводников всех энергетических потоков привода. При этом изменение массы модуля должно обусловливаться не изменением массы элементов, а главным образом перераспределением масс с подвижного основания (манипулятора) на неподвижное. Т.е. задача заключается в наиболее рациональном выборе места разрыва энергетического потока и организации беспрепятственного функционирования данной цепи с уч том соединения подвижных и неподвижных участков.
Граф энергетических потоков простейшего модуля робота представим, как на рис. 3.1. Он включает в себя изображение электрической питающей сети, расположенной на звеньях манипулятора, двигателя или редуктора. Здесь ребро 1 соответствует электрической сети на манипуляторе, ребро 2 – валу двигателя, ребро 3 – магнитной цепи, ребро 4 – редуктору. Входные обозначения напряжения, тока, скорости и момента М имеют индекс 1, выходные – индекс 2.
Практически в модуле имеются четыре энергетических потока с соответствующими проводниками.
1.Поток электрической энергии. Проводником является электрическая сеть (провода), проводящая энергию от источника питания к двигателю.
2.Поток магнитной энергии. Проводником является магнитопровод двигателя.
3.Поток механической энергии (высокоскоростной). Проводником данного потока является ротор двигателя.
85
4. Поток низкоскоростной механической энергии. Редуктор модуля – проводник этого потока.
Отметим три основных направления уменьшения показателей.
1. Увеличение степени использования проводника потока, связанное с уменьшением массы. Обычно это связано с применением более дорогих исходных материалов и, следовательно, с увеличением стоимости модуля.
2.Увеличение КПД преобразования потока, если это не связано с увеличением массы.
3.Уменьшение длины проводника потока, в определенном случае – устранение каких-либо потоков.
Рассмотрим последний случай более подробно. Поскольку полное устранение, а также существенное уменьшение длины какого-либо энергетического потока реального модуля маловероятно ввиду того, что обычно модули ПР выполняются уже с достаточным уровнем использования материалов, есть только один практически приемлемый путь реализации уменьшения длины проводников потока. Имеется в виду перераспределение (перенос) потоков, связанных с подвижным основанием (манипулятор ПР), на неподвижное, связанное, например, с полом цеха. При этом должны соблюдаться два условия:
1.Разрыв (перераспределение) какого-либо из потоков не должен отрицательно сказываться на технологическом процессе, т.е. должны иметься места позиционирования, где возможно перераспределение потоков.
2.Должно соблюдаться условие для разрыва. Обычно со всех точек зрения более предпочтителен бесконтактный разрыв потока. Это связано с тем, что при бесконтактном разрыве отсутствует износ механических узлов, отрицательно сказывающийся на надежности привода. Однако бесконтактный разрыв потока электрической энергии связан с введением дополнительных устройств типа индукционных токосъемников. Разрыв потока механической энергии связан с введением муфт. И в этом, и в другом случае введение дополнительных устройств априорно ухудшает массо-габаритные показатели.
По иному обстоит дело с потоком магнитной энергии. Здесь уже присутствует элемент бесконтактного разрыва потока – воздушный зазор, т.е. уже реализована возможность бесконтактного разрыва потока. Следовательно, для улучшения массо-габаритных показателей необходим только перенос магнитной системы на неподвижное основание. Это не касается железного якоря (ротора), который конструктивно связан с ротором. Теоретически такой перенос возможен для тр х других энергетических потоков. Конечно, нужно учесть наличие неизменяемых компонентов привода. Под неизменяемыми компонентами понимаются разъемы, унифицированные механические соединения, не изменяющие массу при выносе потоков.
Применение метода внешних потоков, основанного на выносе энергетических потоков, а точнее – на перераспределении потоков с подвижного на неподвижное основание позволяет без каких-либо существенных изменений
всоставе модуля уменьшить его массу.
86
Оценим это уменьшение. Ясно, что оно будет существенно зависеть от типа применяемого двигателя, а точнее от соотношения масс ротора (якоря), оставленного в модуле робота, и статора (индуктора), вынесенного на основание. Если предположить, что массы единицы длины ротора и статора одинаковы, то разница в массах будет определяться только диаметрами ротора и статора.
Для двигателя классического типа соотношение между этими диаметрами находится примерно в пределах 2–2.5. Поскольку масса пропорциональна квадрату диаметра, то реальное уменьшение массы составит 4-6 раз. В случае безжелезного якоря это уменьшение еще больше.
3.2. Приводы схватов
Частями общей задачи повышения технического уровня электромеханических модулей (ЭМ) ПР являются разработка и исследование ЭМ захватных устройств ПР, в частности, схватов.
К ЭМ привода схвата предъявляются следующие технические требования.
1.Высокие массо-габаритные показатели, сравнимые с соответствующими показателями пневмо- и гидропривода.
2.Обеспечение максимального быстродействия при срабатывании.
3.Обеспечение надежного фиксирования губок.
4.Совместимость с системой управления ПР.
5.Минимальные первоначальная стоимость и эксплуатационные затраты. В настоящее время для подавляющего большинства приводов схватов,
удовлетворяющих данным требованиям, используют энергию гидро- и пневмосреды.
Основной причиной этого являются высокие массо-габаритные показатели гидро- и пневмоприводов. Однако гидро- и пневомоприводу свойственны такие недостатки, как:
–низкий КПД системы;
–необходимость использования гидростанции (гидропривод) и пневмосети (пневмопривод);
–возможность утечек масла, загрязнения аппаратуры, как следствие – низкая надежность;
–высокий уровень шума;
–высокие эксплуатационные расходы.
Кардинальным образом данные недостатки преодолеваются путем замены гидро- и пневмопривода электроприводом. Однако в настоящее время удельные массо-габаритные показатели электроприводов схватов на порядок меньше, чем у пневмо- и гидроприводов. Эта ситуация сохраняется довольно продолжительное время, несмотря на большой объ м научно-исследова-
87
тельских работ, проводимых в данном направлении. Из-за этого многие чисто электрические роботы, например, Универсал – 5, НЦТМ – 01, М10П, М20П, ТУР – 10 оснащены схватом с пневмоприводом.
В приводе схвата можно выделить три компонента: механическая часть (губки, основание и т.д.), собственно привод и силовые магистрали.
Механическая часть мало зависит от типа привода, е массо-габаритные показатели являются практически постоянными величинами. Показатель усилия на единицу массы пневмопривода находится в пределах 50–80 Н/кг. Величина этого показателя у электропривода, построенного на базе обычных машин постоянного тока, значительно меньше. Путь увеличения усилия электропривода схвата на единицу массы только один – вынос магнитной системы на неподвижное основание, т.е. применение внешних магнитных систем.
Рассмотрим привод схвата с катушками обычного типа. Сущность конструкции иллюстрируют рис. 3.2 (изображен вид сверху роботизированного участка, оснащенного схватом манипулятора с внешними магнитными системами) и рис. 3.3 (вид спереди, сечение по магнитным системам).
Схват работает с магнитными системами, расположенными, например, по прямой линии. Также может быть использована и кривая. Схват имеет систему 1 с односторонними магнитными наконечниками 2. Вблизи нее установлена первая рабочая позиция 3, например, стеллаж с заготовками. Схват манипулирует деталью 4. По другую сторону схвата установлены наконечники 5 второй магнитной системы 6. Эти наконечники выполнены двусторонними, т.е. они продлены на противоположную сторону ко второй рабочей позиции 7, например, технологической машине. Рядом с ней установлены магнитные наконечники 8 третьей магнитной системы 9, также двухсторонние. Заканчивает линейку третья рабочая позиция 10, например, автоматический стеллаж для готовых изделий. Рядом с ней установлены наконечники 11 четвертой магнитной системы 12. Магнитные системы 1, 6, 9 и 12 расположены по линии А-А. Их сечение дано на рис. 3.3. Обозначения систем 1, 6, 9 и 12 совпадают с источниками магнитного поля этих систем.
При необходимости все системы устанавливаются на основаниях. Далее,
всостав участка входит рельсовый путь 13, по которому перемещается манипулятор робота. В его состав, собственно, входит схват 14 с губками, приводимыми в действие активными элементами 15, выполненными, например,
ввиде жестких бескаркасных катушек, которые входят во время позиционирования в зазоры магнитных систем. Схват с элементами установлен
на руке 16 манипулятора 17. Рука имеет возможность передвигаться, а манипулятор 17 – перемещаться по рельсам 13.
Манипулятор показан с рукой в среднем положении у первой позиции 3 со сплошными линиями, а с вытянутой рукой – у второй позиции 7 пунктирными линиями (рис. 3.2).
88
Более подробно кинематика схвата представлена на рис. 3.4. В воздушном зазоре магнитной системы располагаются активные токопроводящие подвижные элементы 15 привода (катушки). На руке 16 ПР закреплено основание 17 с шарнирами 18, в которых вращаются рычаги 19 с губками 20.
Сэлементами контактируют тяги 21, соединенные с пружиной 22.
Вразжатом состоянии положение всех кинематических звеньев показано на рис. 3.4 пунктиром. Фиксация губок в нерабочем, сжатом, состоянии осуществляется пружиной 22.
Работа привода. В состоянии перед включением активные элементы 15 находятся в воздушном зазоре магнитных систем. При подаче тока в активные элементы 15 происходит следующее.
Внешние участки катушек 15 втягиваются в зазор магнитных систем, увлекая за собой рычаги 19, тяги 21, и растягивают пружину 22. Происходит раскрытие схвата. Это состояние сохраняется до тех пор, пока ид т ток по элементам 15 и они находятся в зазоре магнитной системы. Для закрытия схвата достаточно выключить ток. Под действием пружины 22 губки 20 замыкаются, зажимая деталь 4. В данном состоянии рука движется, происходит подъ м-поворот ПР, деталь 4 переносится на новое место позиционирования, например, 3,7 или 10. Далее происходит выдвижение руки, элементы 15 снова в зазоре магнитных систем. Схват оказывается подготовленным для выполнения цикла. Конкретная кинематика может иметь конструктивные отличия при другой форме транспортируемой детали или катушек активного элемента. Особенностью этого привода является то, что таким приводом может оснащаться только ПР с цикловой системой управления, с небольшим числом рабочих позиций. Если число рабочих позиций велико (ПР с позиционной системой), то количество магнитных систем увеличивается, что повышает стоимость робототехнического комплекса.
Выход из данного положения можно найти, применив привод с пружинным аккумулятором (ПА). В этом случае теоретически достаточно лишь одной магнитной системы.
89