Saafonov (1)

Получим аналитическое представление механической части ПР, работающего в цилиндрической системе координат, кинематическая схема которого представлена на рис. 1.6, б.

Выразим кинетическую энергию этой системы через обобщенные координаты. Первое звено совершает вращательное движение, его кинетическая энергия равна:

Здесь Jq mq2 и тчъ Учитывают влияние инерционных нагрузок роторов двигателей. По полученным уравнениям составлена структурная схема механической части ПР, работающего в цилиндрической системе координат (рис. 1.9). Ее анализ позволяет оценить взаимовлияние степеней подвижности многосвязанного электропривода ПР. Появление кориолисовой силы изменяет эффективный момент, прикладываемый двигателем к координате поворота, что приводит к изменению ускорения этой координаты. Дополнительный момент, необходимый для компенсации действия кориолисовой силы, зависит от многих изменяющихся в процессе работы параметров: rx,qt,vx.

Координата подъема может рассматриваться независимо от других степеней подвижности.

При выдвижении руки (увеличение гх) потребный момент двигателя третьей координаты уменьшается за счет появления при совмещенном с поворотом движении центробежной силы, и, наоборот, при уменьшении гх момент возрастает за счет действия той же силы.

Рис. 1.9. Структурная схема ПР, работающего в цилиндрической системе координат

Такое сильное взаимовлияние координат обусловливает необходимость совместного рассмотрения уравнений динамики всех степеней подвижности.

Кинематическая схема транспортирующих координат ПР, работающего в сферических координатах, приведена на рис. 1.7. Для составления уравнений движения воспользуемся тем же методом.

Кинетическая энергия первого звена, совершающего вращение вокруг ochZ,

WKl - J\z q\t2,

где Ji z — момент инерции звена относительно оси Z.

Для определения кинетической энергии звена найдем скорость перемещения центра масс. Положим, что центр масс второго звена расположен на расстоянии I от оси вращения, тогда с учетом принятых осей вращения первого и второго звеньев (Z — для первого и Y — для второго)

1.7. Требования к электроприводам промышленных роботов

Требования, предъявляемые к электроприводам ПР, могут быть сформулированы на основе анализа технологических операций, выполняемых ПР, и механики.

Назначение ПР — заменить человека на вредных, монотонных и тяжелых

операциях, отсюда и главное требование: основные характеристики должны соответствовать аналогичным характеристикам руки человека. В МВТУ им. Баумана было проведено исследование предельных возможностей руки человека [5]. Отсчет степени осуществлялся от плеча. Полученные результаты приведены в табл. 1.2.

Эти данные могут быть приняты за основу как при проектировании новых ПР, так и при сравнении уже разработанных ПР.

Интересно отметить, что рука человека осуществляет регулирование скорости с постоянной мощностью. Чем с более тяжелым грузом она манипулирует, тем ниже скорость выполнения операции.

Динамические свойства руки человека как объекта управления определяются передаточной функцией

W0{p\ = 1/ (Тр + п3.

Постоянная времени Т зависит от многих факторов — состояния человека, его характера — и составляет доли секунд, но для нас важно, чго человек выполняет перемещения без перерегулирования.

Одно из основных требований, предъявляемых к электроприводу ПР, — обеспечить апериодические переходные процессы отработки перемещений во всем рабочем диапазоне варьирования параметров. Наличие колебаний скорости, перерегулирования при позиционировании создают опасности для переносимого груза и окружающих ПР предметов, а также ухудшают эстетическое восприятие работы ПР.

Повышение производительности труда ПР возможно лишь за счет интенсификации динамических процессов, так как ПР работают в основном только в переходных режимах, а установившиеся режимы работы практически отсутствуют. Отсюда высокие требования к массогабаритным показателям двигателей, которые размещаются на звеньях манипу-

Таблица 1.2

Степень	Максимальное	Максимальная	Максимальное	Мощность, Вт
подвиж	угловое	перескорость, 1/с	ускорение, 1/с2
ности	мещение, рад
1	1,5	7	70	200
2	1,5	10	120	200
3	-	-	-	200
4	3	17	300	120
5	2	15	200	120
6	3	20	500	50
7	1,5	15	450	40
8	1,5	15	350	40

Примечание. Для третьей степени подвижности перемещение составляет 0,15 м, максимальная скорость 1,6 м/с.

ляционной системы и создают дополнительные динамические нагрузки для приводов предыдущих координат.

Из анализа динамических моделей механической части следуют два основных

требования к приводу ПР. Во-первых, система привода должна устойчиво работать

вусловиях переменного момента инерции и переменного момента нагрузки и повозможности обладать инвариантными свойствами к варьируемым параметрам. Вовторых, наличие длинных механических передач, а также стремление снизить массу кинематических звеньев манипулятора приводят к существенному влиянию упругостей на динамику манипуляционной системы. Необходимо, чтобы привод обеспечивал демпфирование динамических нагрузок.

Экономические требования включают в себя надежность работы и экономичность привода. Желательно, чтобы привод был взрывобезопасным, не содержал масел, не имел искрящих контактов. Показателем экономичности привода является потребление энергии за цикл работы, разумеется, что оно зависит от типа привода и алгоритма управления.

Ктехнологическим требованиям относится обеспечение заданных параметров движения, а именно: точности отработки траектории или позиционирования, плавного регулирования скорости в широком диапазоне, возможности длительного нахождения схвата в заданной точке рабочей зоны даже при исчезновении питания и другие в соответствии с функциональным назначением ПР. Поскольку Г1Р являются машинами повышенной опасности, то особое значение приобретает безопасность обслуживающего персонала при аварийных режимах: привод должен иметь специальные блокировки, запрещающие работу при возникновении аварии и сбоях программы. Система управления должна обеспечивать три режима работы: обучение, в котором производится запись программы ^ ручной или наладочный и автоматический. Этим требованиям в различной степени удовлетворяют электропривод, гидропривод и пневмопривод.

Исторически сложилось так, что первые ПР выпускались больше с гидроприводами. Это объясняется тем, что, во-первых, у гидропривода лучше массогабаритные показатели при тех же мощностях, чем у электропривода, и, вовторых, первые разработчики Г1Р имели большой опыт применения гидропривода

вметаллорежущих станках и, естественно, применили отработанные варианты. Технологические требования к ПР первого поколения были невысокими, в основном это были IIP с цикловой системой управления, работающие по упорам.

У пневмопривода сжимаемость воздуха не позволяет обеспечивать высокое качество траектории движения в интенсивных режимах работы, поэтому до сих пор единственное применение пневмопривод находит в ПР малой грузоподъемности, работающих по упорам.

Повышение требований к ПР следующих поколений привело к применению электропривода, в настоящее время около 50% ПР выпускается с электроприводом. Это объясняется преимуществами электропривода, которые в первую очередь определяются удобством распределения электрической энергии. Уменьшение ступеней преобразования энергии (отсутствие гидро- и пневмостанций) повышает общий КПД робота. К дополнительным преимуществам электропривода можно отнести низкий уровень шума, меньшее число обслуживающего персонала при эксплуатации, отсутствие масла, мгновенная готовность к работе (не требуется предварительный прогрев), практическая независимость основных характеристик от температуры (вязкость масла в сильной степени зависит от температуры). Современный уровень развития микроэлектроники позволяет провести микроминиатюризацию систем управления электроприводами, что позволит в

ближайшем будущем создать компактные модули систем управления. Аналогичные работы ведутся и по созданию компактного электромеханического модуля, содержащего электродви-* гатель, волновой редуктор и датчики обратной связи. Внедрение этих разработок позволит существенно снизить массогабаритные показатели электропривода в целом.

В настоящее время создаются электроприводы с высокими динамическими показателями, имеющие диапазон регулирования скорости до 100 ООО : 1, полосу пропускания до 100 Гц и перегрузочную способность до 10.

Все указанные выше преимущества электропривода, а также возможность непосредственного правления от ЭВМ без промежуточных преобразований информации обусловливают перспективность для ПР электропривода перед другими системами привода. Гидропривод может применяться для ПР, которые предназначены для совместной работы с технологическим оборудованием, оснащенным развитой гидросистемой. Применение гидропривода в этих условиях целесообразно по соображениям унификации оборудования.

Гпава вторая

ЭЛЕКТРОПРИВОД ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ С ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

2.1. Двигатели постоянного тока для промышленных роботов

В настоящее время в электроприводе ПР наибольшее применение нашли двигатели постоянного тока. Это обусловлено удобством и простотой регулирования скорости и момента. Для подобных целей они используются уже давно (например, в станках с ЧПУ), поэтому основные узлы схем управления достаточно хорошо отработаны, имеются типовые решения; обслуживающий персонал на предприятиях подготовлен к эксплуатации таких приводов.

Как показано выше, динамические требования к двигателям, применяемым в электроприводе ПР, близки к требованиям для приводов подач станков. Особенностью ПР является то, что электрические машины часто

размещаются непосредственно в сочленениях, при этом каждый последующий двигатель нагружается дополнительной массой предыдущего двигателя. Отсюда более жесткие требования к массе двигателя.

Приводы ПР, как правило, работают в интенсивных динамических режимах, поэтому для повышения быстродействия желательно иметь максимально возможное ускорение в переходных процессах:

етах = -^доп/ (/д + ^мех) >

где Мпоа — максимально допустимый момент двигателя; /д — момент инерции двигателя; J'Mex - приведенный момент инерции механизма.

Повысить ускорение при тех же габаритах можно, либо увеличив перегрузочную способность двигателя, т.е. допустимый момент двигателя, либо снизив момент инерции двигателя.

В электроприводах ПР находят применение как двигатели общего назначения, так и специальные: высокомоментные (с повышенной перегрузочной способностью) и малоинерционные (с минимальным момен- | том инерции).