Электромеханические модули

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ
Московский технический университет связи и информатики

Реферат по мехатронике на тему:
”ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ МОДУЛИ МЕХАТРОННЫХ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ”

Выполнил: Востропятов Н. А.

Группа: УИ0301

Проверил: Куркин В. И.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ.. 2

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ.. 3

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЛНОВЫЕ МОДУЛИ.. 6

Электромеханический волновой модуль поступательного движения. 7

Электромеханический волновой модуль вращательного движения. 8

Электромеханические волновые модули комбинированного движения 10

Встроенные электромеханические волновые моторредукторы.. 13

ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ МОДУЛЬНОГО ТИПА НА БАЗЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ВОЛНОВЫХ МОДУЛЕЙ.. 15

Двурукий промышленный робот-перегрузчик. 15

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ... 22

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Создание промышленных роботов на базе унифицированных агрегатных узлов или блоков (модулей) — перспективное направление в роботостроении. Оно имеет следующие технико-экономические преимущества: сокращение времени и трудоемкости проектирования; возможность получения ПР, наиболее полно отвечающих требованиям конкретного технологического процесса и потребителя; повышение уровня специализации и организации производства; снижение стоимости производства ПР; повышение надежности ПР; повышение ремонтопригодности и удобства обслуживания ПР.

Основой агрегатно-модульного построения ПР являются разработка и создание так называемых агрегатных модулей, позволяющих компоновать неограниченный диапазон конструкций ПР в соответствии с требованиями конкретного технологического процесса или потребителя.

Под модулем понимают универсальный агрегатный узел, обладающий функциональной полнотой и конструктивной завершенностью. Модули ПР должны удовлетворять требованиям прочности и жесткости, обеспечивать взаимную стыковку в различных сочетаниях и положениях, простой и надежный монтаж.

Классифицируют модули ПР по следующим основным признакам: по функциональному назначению — на управляющие, программно-задающие, информационные и исполнительные; по величине — на большие и малые; по порядку расположения внутри агрегатной системы на равноценные и наиболее предпочтительные.

На рис. 7.1 показан набор модулей исполнительной системы ПР, различные комбинации которых дают возможность компоновать манипулятор ПР, обеспечивающий решение поставленной технологической задачи [4]. Входящие в набор: руки (выдвижная, локтевая двухшарнирная, локтевая трехшарнирная), механизмы (поворота, подъема, качания), каретка, монорельс, столы (тактовый и крестовый), захватное устройство — позволяют получить варианты компоновок манипуляторов ПР (рис. 7.2) с различными возможностями манипуляционной системы. Оснащение таких манипуляторов модульными управляющими устройствами дает возможность формировать промышленные роботы модульного типа, не имеющие избыточных возможностей и наиболее полно отвечающие конкретным технологическим процессам, специфике и возможностям производства.

Однако преимущества агрегатно-модульного принципа могут быть реализованы полностью только при удовлетворении следующих требований к создаваемым модульным ПР: характеристики и технологические параметры ПР должны максимально близко соответствовать его функциональному назначению и требованиям конкретного технологического процесса;

компоновка манипулятора ПР и его управляющее устройство должны обеспечивать минимальный объем манипуляционных действий, необходимых для обеспечения определенного технологического процесса, т. е. отвечать принципу минимизации конструктивного решения;

объем операций, выполняемых ПР, и темп их исполнения в сочетании с затратами на внедрение должны обеспечивать технико-экономическую эффективность применения ПР.

Разработка и создание модульных конструкций ПР — задача трудоемкая и длительная, предшествовать которой должен целый комплекс работ: проведение исследований по установлению параметрических рядов конструктивно-технологических характеристик ПР; выработка принципов агрегатного построения ПР применительно к технологическим процессам; разработка технологических требований, которым должны отвечать агрегатно-модульные ПР; выбор системы модулей и кинематики ПР; выработка принципов создания широкономенклатурных и переналаживаемых роботизированных комплексов, обслуживаемых агрегатно-модульными ПР; обоснование целесообразности создания и применения агрегатно-модульных ПР.

Принципы агрегатно-модульного построения использованы при создании отечественных электромеханических роботов модульного типа РПМ-25, портального ПР «Пирин» (НРБ), агрегатных ПР «МХЮ-Сениор» и «МХЮ-Юниор» (Швеция), «Кавасаки Юнимейт» (Япония) и других.

Разработанная базовая система исполнительных электромеханических модулей промышленного робота РПМ-25, каждый из которых представляет собой автономный блок механизмов_, двигателей, датчиков, энергетических и информационных коммуникаций одной или нескольких степеней подвижности, позволяет собирать более 100 различных компоновок манипуляторов ПР[1]. В сочетании с модульно-блочной конструкцией приводов и управляющего устройства это обеспечивает создание роботов, наиболее соответствующих технологическим требованиям и специфике производства.

Учитывая перспективу развития электропривода ПР, остановимся на примерах разработки электромеханических модулей исполнительного устройства ПР с волновыми передаточными механизмами, предназначенных для ПР общего и специального машиностроения. При этом основным вариантом кинематической схемы манипулятора ПР при его модульном построении будем считать схему с электромеханическими модулями, встроенными непосредственно в звенья МС.

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЛНОВЫЕ МОДУЛИ

При высоких скоростях вращения электродвигателей современных электроприводов ПР (9000; 6000; 3000; 1500 об/мин) требуется применение передач с большими передаточными числами (см. табл. 5. 2, сочетания ВЗ и ПЗ), что заставляет обратиться к волновым передаточным механизмам, обладающим комплексом важных качеств (см. 5. 3): возможностью реализации больших передаточных чисел в одной ступени, простотой конструкции, высокой нагрузочной способностью, компактностью и малыми габаритами, практической безлюф-товостью. Кроме того, волновые передачи наиболее полно отвечают общим требованиям, которые предъявляют к приводным электромеханическим модулям ПР: постоянство угловой скорости без пульсаций; малогабаритность, компактность и высокая удельная нагрузка; малый боковой зазор или мертвый ход, высокая точность позиционирования; наработка не менее 10⁶ циклов нагружения по ходам; наличие 1—2 степеней подвижности.

Принципиально электромеханический волновой привод может быть создан последовательным соединением электродвигателя и волнового редуктора, либо встраиванием электродвигателя вовнутрь гибкого элемента волнового механизма, либо размещением волнового механизма внутри электродвигателя. При этом в зависимости от вида волнового механизма может быть обеспечено вращательное, поступательное или комбинированное движение выходных звеньев модуля.

Электромеханический волновой модуль поступательного движения

Базовая конструкция электромеханического модуля поступательного движения, предназначенного для работы в герметичном пространстве (вакууме или космосе), показана на рис. 7. 3. К ней предъявляют следующие основные требования: малые габариты и вес, высокую кинематическую точность, возможность передачи движения из одной среды в другую.

Электромеханический волновой модуль поступательного движения состоит из кожуха с токовводами 1, двигателя постоянного тока (n = 9000 об/мин) 2, двухступенчатого соосного зубчатого редуктора 3, кулачкового генератора волн 4 волновой зубчатой передачи, крепежного фланца-корпуса 5, выполненного заодно с жестким колесом 6, гибкой шестерни-оболочки 7, соединительной муфты 8, гибкой цельнометаллической оболочки-винта 9, вала волновой резьбовой передачи 10, направляющей скольжения 11, ведомой жесткой гайки 12, кулачкового генератора волн 13 волновой резьбовой передачи с гибким подшипником 14, жесткого муфтового колеса 15 волновой зубчатой передачи.

Конструкции кулачковых генераторов волновых зубчатой и резьбовой передач унифицированы и состоят из овальных кулачков с насаженными на них гибкими подшипниками.

Двухступенчатый соосный зубчатый редуктор предназначен для снижения частоты вращения генератора волн с целью повышения циклической долговечности наружного кольца гибкого подшипника и гибкой шестерни-оболочки.

Принцип работы электромеханического волнового модуля поступательного движения следующий. После подачи электропитания через токовводы кожуха к двигателю крутящий момент с его вала через понижающий двухступенчатый соосный зубчатый редуктор передается на кулачковый генератор волн волновой зубчатой передачи с неподвижным жестким колесом. В результате гибкая оболочка-шестерня, соединенная через жесткое муфтовое колесо с валом волновой резьбовой передачи, вращается с редуцированной скоростью в направлении, обратном вращению вала электродвигателя. При этом она увлекает за собой кулачковый генератор волновой резьбовой передачи, который через гибкий подшипник деформирует гибкую оболочку-винт, создавая в ней зоны волнового резьбового зацепления с ведомой жесткой гайкой —- выходным звеном модуля, движущимся возвратно-поступательно при реверсивном вращении вала двигателя и увлекающим за собой исполнительный орган ПР.

Электромеханический волновой привод поступательного движения используется в качестве модуля подъема колонны или каретки, качания руки, поступательного движения руки, кисти или захватного устройства.

Электромеханический волновой модуль вращательного движения

Базовая конструкция электромеханического модуля вращательного движения, предназначенного для работы в герметичном пространстве (вакууме или космосе), показана на рис. 7. 4. К ней предъявляются следующие основные требования: унификация двигателя и генератора волн с конструкцией электромеханического волнового модуля поступательного движения, малые габариты и вес, высокая кинематическая точность, возможность передачи движения из одной рабочей среды в другую.

Электромеханический волновой модуль вращательного движения состоит из кожуха с токовводами 1, двигателя постоянного тока (n = 9000 об/мин) 2, двухпоточного планетарного редуктора 3, корпуса-опоры скольжения 4, ведущего вала волновой зубчатой передачи 5, ведомого вала 6, соединенного с ведомым жестким колесом волновой зубчатой передачи 7, гибкой цельнометаллической оболочки-шестерни 8, кулачкового генератора волн 9, опоры ведомого вала 10, крепежного фланца-корпуса 11, соединительной муфты 12.

Унифицированная конструкция кулачкового волнового генератора выполнена того же типоразмера, что и в модуле поступательного движения. Двухпоточный планетарный редуктор также предназначен для снижения частоты вращения генератора волн с целью повышения циклической долговечности наружного кольца гибкого подшипника и гибкой оболочки-шестерни.

Принцип работы электромеханического волнового модуля вращательного движения следующий. После подачи электропитания через токовводы кожуха к двигателю крутящий момент с его вала через понижающий двухпоточный планетарный редуктор передается на кулачковый генератор волн волновой зубчатой передачи с неподвижным колесом, который деформирует гибкую оболочку-шестерню. В результате ведомое жесткое колесо, являющееся выходным звеном модуля, получает вращательное редуцированное движение в направлении, совпадающем с направлением вращения ведущего вала генератора волн, увлекая за собой исполнительное звено манипулятора ПР.

Электромеханический волновой привод вращательного движения используется в качестве модуля вращения колонны, вращения руки, кисти или захватного устройства, а в сочетании с реечной передачей — в качестве модуля подъема колонны, качания или поступательного движения руки манипулятора ПР.

Компоновка рассмотренных электромеханических модулей поступательного и вращательного движений с размещением зубчатого и планетарного редукторов и внутренних генераторов волн в полости гибкой оболочки винта или шестерни позволила решить проблему единой консистентной смазки сопрягаемых движущихся деталей и опор, преградить выброс продуктов износа и смазки в рабочую полость.

Электромеханические волновые модули комбинированного движения

На рис. 7. 5 представлен волновой электромеханический модуль двойного разнонаправленного вращательного движения, разработанный на базе трубчатой (осевой) волновой передачи с диафрагмой, расположенной посредине гибкой оболочки, и двойной (наружной и внутренней) нарезкой зубьев на одном из ее концов. К нему предъявляются следующие основные требования: высокая надежность по герметичности, малые габариты и вес, возможность передачи в герметизированное пространство двух разнонаправленных движений от одного электродвигателя, расположенного в атмосфере.

Электромеханический волновой модуль двойного вращательного разнонаправленного движения состоит из шагового двигателя 1, ведущего вала 2, кулачкового генератора волн 3, опор 4 ведущего и ведомого валов, ведомого вала 5, опоры скольжения 6, ведомого жесткого колеса 7, ведомой жесткой шестерни 8, корпуса 9, гибкой оболочки 10, крепежного фланца корпуса 11, соединительного корпуса 12, соединительной муфты 13.

Особенности передачи волнового движения по телу трубчатой гибкой оболочки позволили создать две волновые зубчатые передачи, работающие одновременно с неподвижным гибким колесом, но с различным расположением генераторов волн (внутренним — для жесткого зубчатого колеса, наружным — для жесткой зубчатой шестерни), и вращающиеся в противоположных направлениях. Поскольку модули зацепления у них могут быть различными, можно, варьируя число зубьев, создать привод двойного разнонаправленного вращения ведомых звеньев как с одинаковыми, так и различными скоростями.

Модуль работает следующим образом. При вращении ведущего вала от электродвигателя через соединительную муфту кулачковой двухволновой генератор волн деформирует неподвижно закрепленную в корпусе гибкую трубчатую оболочку с диафрагмой, расположенной посредине. В результате волновое движение передается вдоль гибкой оболочки и через ее внешний и внутренний зубчатые венцы приводит в в одновременное вращательное разнонаправленное движение зубчатые жесткие колесо и шестерню, являющиеся выходными звеньями модуля и взаимодействующие с исполнительными звеньями манипулятора ПР.

Электромеханический коаксиальный волновой резьбовой модуль (рис. 7. 6) состоит из шагового двигателя 1, соединительного корпуса 2, двух кулачковых генераторов волн 3 и 4, опоры 5 генератора волн, корпуса-фланца 6, гибкой оболочки-гайки 7, жесткого винта-гайки 8, гибкой оболочки винта 9, ведущего вала 10, соединительной муфты 11. Гибкая оболочка-гайка и гибкая оболочка-винт выполнены в виде двух коаксиальных трубчатых (осевых) оболочек с единой диафрагмой, расположенной посредине. Левые концы оболочек деформируются двумя кулачковыми генераторами волн, установленными на одном ведущем валу, а правые, имеющие резьбовые участки, зацепляются с жестким винтом-гайкой, элементы которого — винт и гайка могут быть выполнены и раздельно.

Принцип работы электромеханического коаксиального волнового резьбового модуля следующий. Крутящий момент с вала двигателя через соединительную муфту передается кулачковым генераторам волн, которые деформируют гибкие оболочки, в результате чего происходит волновое резьбовое зацепление с жестким винтом-гайкой. Последний, будучи выходным звеном модуля, совершает возвратно-поступательное движение при реверсивном вращении вала двигателя. При этом в случае выполнения жесткого ведомого звена винт-гайка заодно обеспечивается высокоточное поступательное движение одного выходного звена; в случае же раздельного выполнения жестких винта и гайки формируются поступательные одно- или разнонаправленные движения двух выходных звеньев.

Таким образом, рассмотренная конструкция электромеханического коаксиального волнового резьбового привода может использоваться в качестве электромеханического волнового модуля поступательного движения повышенной точности либо в качестве привода двойного поступательного движения.

Следует подчеркнуть, что конструкции волновых приводов с трубчатыми (осевыми) гибкими оболочками обладают важным свойством предохранения привода от перегрузок. Так, при повышении момента или нагрузки сверх номинальных на 30—40% волна в гибкой оболочке не передает движения на выходные звенья.

Электромеханические волновые приводы разнонаправленного вращательного движения используют в качестве модуля вращения руки и захватного устройства, модуля движения пальцев или губок ЗУ.

Встроенные электромеханические волновые моторредукторы

Последовательное формирование электромеханического модуля применением соединительных муфт и редукторов приводит к увеличению веса электропривода, так как габариты и вес редуктора и муфт соизмеримы с таковыми для двигателя или даже превосходят их. Размещение редуцирующей части, например, волновых зубчатой или резьбовой передач внутри ротора обычной асинхронной или синхронной машины является новым и перспективным решением в создании волнового электромеханического привода. При работе электродвигателя вместе с ротором вращается генератор волн, деформируя застопоренное гибкое колесо, в результате чего выходной вал, связанный с жестким колесом, приобретает медленное редуцируемое вращение.

Встроенная волновая передача в зависимости от ее конструктивного исполнения дает возможность получить как вращательный односкоростной или многоскоростной), так и поступательный электромеханический модуль. Кроме того, созданные комбинированные электроприводы с повышенными функциональными возможностями позволяют получить на выходе два независимых движения — линейное и вращательное.

Рассмотрим одну из разработанных конструкций таких электромеханических модулей (рис. 7. 7).

Электромеханический встроенный модуль линейного и вращательного движений состоит из общепромышленного электродвигателя переменного тока с неподвижным статором 1 и вращающимся ротором 2, гибкой резьбовой гайки 3, закрепленной на щите и связанной с винтом 4. Внутри полого ротора размещена волновая герметичная передача с кулачковым генератором волн 5 и роликовыми опорами 6, которая базируется на подшипниковом щите 7 с втулками ротора 8, вторым щитом 9 с установленным на нем гибким зубчатым колесом 10, деформируемым кулачковым генератором волн 11. Жесткое зубчатое колесо 12 волновой зубчатой передачи связано с выходным валом, опорами которого служат подшипники 13. В местах сопряжений предусмотрены уплотнения 14.

Модуль работает следующим образом. При включении электропитания в обмотку статора ротор начинает вращаться. Одновременно с ним вращаются кулачковые генераторы волн, которые деформируют гибкое колесо и обеспечивают движение соответствующих жестких элементов, в результате чего выходной вал, связанный с жестким колесом, получает вращательное движение, а винт — поступательное, ход которого в оба конца ограничен его длиной.