книги / Механика промышленных роботов и манипуляторов с электроприводом

8.10. Основные этапы синтеза

При наличии в следящих приводах нескольких корректирующих обрат­ ных связей их синтез удобно проводить с использованием обратных ЛАЧХ и логарифмических фазочастотных характеристик (ЛФЧХ). Вначале рассмотрим синтез контурного следящего электропривода без обратной свя­ зи по току и с малым значением Тэ.

В соответствии с выражением (8.35) обратная передаточная функция

разомкнутого скорректированного следящего электропривода
1	р 2А ( р )	W Р	(8.40)
1Г *(р)	р(1+тр)
W(p)

где А(р) = (1 + ТтмР)(1 + 7 » <1 + 7 > ) .

Уравнения (8.39) дают возможность определит^ минимальное допусти­ мое значение о>ср, которое берется за исходное. Далее строятся первые две асимптоты обратной желаемой ЛАЧХ (рис. 8.5,а, асимптоты АВ и ВС). Сопрягающая частота о){должна быть в 3—4 раза больше а>ср. Тогда пока­ затель колебательности следящего электропривода близок к единице, а переходные процессы отработки протекают практически без перерегулиро­ вания. Кроме того, при этом обеспечивается и требуемая частота пропуска­ ния скоростного контура.

Далее принимается т = Тм и строится

(/а>) 2 A (jai)

ЛАЧХ L | ц(1+тju)

соответствующая первому слагаемому правой части выражения (8.40). При частоте о>= aij ЛАЧХ должна пройти через точку В (асимптомы DBEKH).

Из этих построений определяется требуемое значение 1/д. а затем ц. Далее, продолжая построение, линию асимптоты АВ желаемой ЛАЧХ с

наклоном -20 дцБ/дек проводят вправо. Она должна совпадать с ЛАЧХ, соответствующей второму слагаемому правой части (8.40), т.е.

jü) V

В результате обратная ЛАЧХ L\ W~x(ju) \ разомкнутого скорректиро­ ванного следящего электропривода с достаточной для практических рарчетов степенью точности совпадает с асимптотами АВЕКН. Таким образом, при указанном способе выбора т и ц обеспечивается наилучшее приближе­ ние обратной ЛАЧХ разомкнутого скорректированного следящего электро­ привода к желаемой.

Требуемый коэффициент усиления разомкнутого внутреннего контура связи по скорости, согласно выражению (8.41), можно определить по сле­ дующей формуле: v = д/о>ср.

Рассмотрим выполнение требований к скоростному контуру следящего электропривода. Согласно структурной схеме (см. рис. 8.4), при г - 0 пере­ даточная функция разомкнутого контура

1 + т р

Точно такая же передаточная функция получается, если второе слагае­ мое правой части выражения (8.40) разделить на первое слагаемое той же части. Таким образом, ЛАЧХ и ЛФЧХ (рис. 8.5,6) разомкнутого

скоростного контура находятся путем вычитания из значений		L||£/k> | и
	(ju))2A(ju))
arg—	ju соответствующих определенных значений L = |----------------	1 и
Ц	ц(1 +zju>)
arg	ц(1+тр ) (кРивые L I И'п.к<*» I и arg\VB'K( р ) ).

Из рис. 8.5 следует, что внутренний контур устойчив, частота среза контура совпадает с частотой o>j, которая равна (3—4)а>ср,запас устойчи­ вости по фазе à(pBкблизок к 90°. Последний этап расчета —нахождение требуемых коэффициентов усиления £р п, к^СУктп в соответствии с форму­ лами (8.31)—(8.33).

Не всегда удается создать систему с требуемыми техническими парамет­ рами. Если необходимо обеспечить достаточно высокие быстродействие и точность следящего электропривода, приходится учитывать дополнитель­ ные сведения о технических параметрах электропривода, тиристорного преобразователя и т.д. При расчете по линеаризованной модели следящего электропривода не всегда удается обеспечить отработку больших углов рассогласования без перерегулирования системы. Все это требует дальней­ шего развития и совершенствования специальных методов расчета и кор­ рекции следящего электропривода.

8.11. Конструктивное исполнение электроприводов промышленных роботов

Общие сведения. Электропривод промышленного робота состоит из ря­ да отдельных электроприводов, исполнительные части которых (электро­ двигатели, датчики положения и скорости) размещены на манипуляторе, а силовой преобразователь, как правило, отдельно от манипулятора. Это обстоятельство накладывает особые требования на построение силового многокоординатного преобразователя, включающего отдельные силовые преобразователи. В то же время появляется возможность сделать общими некоторые его элементы, такие как силовой питающий трансформатор, блоки питания плат управления, элементы подключения и защиты, тепло­ отводы, что приводит к уменьшению габаритов и массы преобразователя, а

также обеспечению селективности защиты электропривода.

Однако серийное производство электроприводов в многокоордйнатном исполнении только налаживается. Из серийно выпускаемых электроприво­ дов лишь преобразователи приводов серии ЭРТ, разработанные специально для универсальных промышленных роботов, имеют многокоординатное ис­ полнение. Остальные электроприводы выпускаются с преобразователями в однокоординатном открытом исполнении для встройки в общий шкаф. Это, безусловно, приводит к дополнительным сложностям, связанным со сты­ ковкой отдельных координат преобразователя, и к увеличению габаритов электрошкафов.

Электропривод серии ЭРТ. Многокоординатный электропривод серии ЭРТ (электропривод роботов тиристорный) разработан для универсальных промышленных роботов. Он состоит из 4, 6 или 8 независимых скоростных электроприводов; предназначен для работы с системами программного уп­ равления типов АПС, УПМ или УКМ. Мощность применяемых исполни­ тельных электродвигателей — от 0,06 до 4 кВт.

Электропривод ЭРТ включает стойку многокоординатного преобразо­ вателя, электродвигатели постоянного тока и датчики скорости —тахогене- раторы.

Стойка многокоординатного преобразователя имеет модульную конст­ рукцию в исполнении на 4, 6 или 8 координат. В качестве исполнительных электродвигателей применяются электродвигатели постоянного тока типов СЛ-369, СЛ-661, 4МИ-12ФЗ и МИ-2. Тахогенераторами служат электро­ машины типа СЛ-121.

Конструктивно стойка преобразователя состоит из модулей в виде от­ дельных блоков, выполняющих общие функции для всех координат приво­ да, и индивидуальных блоков для каждой координаты.

Общими являются блоки ввода, трансформаторов, возбуждения и тор­ можения, питания; индивидуальными для каждой координаты — блоки тиристоров, дросселей, управления.

Основные параметры электропривода следующие: стабильность поддер­ жания скорости в диапазоне регулирования, равном 1000, т- не менее 15 % ; частота пропускания скоростного контура — не менее 15 Гц; входной сигнал

—± 10 В; питание электропривода от четырехпроводной трехфазной сети

—370 В, 50 Гц; габаритные размеры преобразователя на 6 координат — не более 1600x610x680 мм; масса преобразователя —не более 350 кг.

Электропривод серии ЭТ6. Электропривод постоянного тока серии ЭТ6 разработан для использования в качестве привода подачи станков и про­ мышленных роботов. Мощность исполнительных электродвигателей — от 0,75 до 3 кВт. Конструктивно электропривод состоит из однокоординатного преобразователя, силового трансформатора, дросселей и исполнительного электродвигателя со встроенным тахогенератором.

Вкачестве исполнительных электродвигателей используются электро-

двигатели постоянного тока серии ПБВ, оснащенные датчиком положения типа ПМБ-1 и электромагнитным тормозом типа ЭТДБ.

Преобразователь выполнен в открытом исполнении и предназначен для встройки в шкаф. Он имеет блочную конструкцию, обеспечивающую воз­ можность замены блоков.

Управление тиристорным преобразователем осуществляется блоком с формирователем импульсов и регуляторами скорости и тока, которые обра­ зуют два замкнутых контура подчиненного регулирования. Кроме того, схема управления обеспечивает ограничение тока электродвигателя и его производной. В состав блока входит источник питания всех цепей управле­ ния и схема регулятора положения.

Основные параметры привода следующие: обеспечивается работа во всех четырех квадрантах механической характеристики при изменении управляющего напряжения в пределах ± 10 В; погрешность частоты враще­ ния в диапазоне регулирования, равном 10000, — не более 15 % ; частота пропускания скоростного контура — не менее 40 Гц.

Электропривод серии ПРП-1. Электропривод постоянного тока серии ПРП-1 разработан для использования в качестве привода станков и про­ мышленных роботов. Мощность исполнительных электродвигателей —от 0,15 до 0,5 кВт. Конструктивно электропривод состоит из однокоординат­ ного преобразователя, силового трансформатора и исполнительного элект­ родвигателя со встроенным тахогенератором.

Преобразователь выпускается в открытом исполнении и предназначен для встройки в шкаф. Он имеет блочную конструкцию, обеспечивающую возможность замены блоков.

В качестве исполнительных электродвигателей используются электро­ двигатели постоянного тока серии Д К -1.

Основой однокоординатного преобразователя служит транзисторный мостовой широтно-импульсный усилитель мощности. Управление преобра­ зователем осуществляется системой, включающей широтно-импульсный модулятор и регуляторы скорости и тока, которые образуют замкнутые контуры регулирования. Схема управления обеспечивает ограничение тока электродвигателя и защиту выходных транзисторов в переходных режи­ мах. Питание схемы управления осуществляется от стабилизированных источников питания.

Основные параметры привода следующие: обеспечивается работа во всех четырех квадрантах механической характеристики при изменении управляющего напряжения в пределах ± 10 В; погрешность частоты враще­ ния в диапазоне регулирования, равном 1000, — не более 10 %; частота пропускания скоростного контура — не менее 70 Гц.

Электропривод с регулятором серии Р4В. Электропривод постоянного тока с регулятором серии Р4В разработан для использования в качестве привода станков и промышленных роботов. Мощность исполнительных

электродвигателей — от 0,025 до 0,09 кВт. Конструктивно электропривод состоит из однокоординатного преобразователя, силового трансформатора и исполнительного электродвигателя со встроенным тахогенератором.

Преобразователь выпускается в открытом исполнении и предназначен для встройки в шкаф.

В качестве исполнительных электродвигателей используются электро­ двигатели постоянного тока с полым малоинерционным якорем серии ДПР.

Однокоординатный преобразователь построен по схеме транзисторного мостового широтно-импульсного усилителя мощности. Система управле­ ния преобразователем состоит из широтно-импульсного модулятора и ре­ гуляторов скорости и тока, которые образуют два замкнутых контура регулирования. Схема управления обеспечивает ограничение тока элект­ родвигателя и защиту выходных транзисторов в переходных режимах. Пи­ тание схемы управления осуществляется от стабилизированных источников питания.

Основные параметры привода следующие: обеспечивается работа во всех четырех квадрантах механической характеристики при изменении управляющего напряжения в пределах ± 10 В; погрешность частоты враще­ ния в диапазоне регулирования, равном 4000, — не более 10 %; частота пропускания скоростного контура — не менее 40 Гц.

8.12. Пути совершенствования электроприводов промышленных роботов

Имеющийся опыт использования электроприводов в промышленных ро­ ботах позволяет сделать выводы об их эффективности и путях совершенст­ вования. Приведем некоторые из этих путей.

1.Переход на бесколлекторные электродвигатели переменного тока— асинхронные и синхронные; при этом увеличивается эксплуатационная надежность привода.

2.Применение в промышленных роботах специальных линейных и вращательных механизмов с электродвигателями переменного тока; это позволяет значительно уменьшить габаритные размеры передаточных ме­ ханизмов.

3.Дальнейшее развитие силовой полупроводниковой техники, пред­ полагающей использование транзисторных преобразователей для всего ди­ апазона мощностей электродвигателей.

4.Построение управляющей системы привода и его регулятора на базе микропроцессоров с использованием фотоэлектрических дискретных дат­ чиков положения и скорости, что позволит повысить точность и надежность регулирования.

5.Совершенствование системы управления приводом путем введения дополнительных адаптивных регуляторов для отдельных контуров управле­ ния, позволяющих облегчить настройку привода и улучшить его характеристики.

6. Совершенствование конструкций многокоординатных преобразова­ телей с целью уменьшения их габаритных размеров и массы.

Большинство этих направлений связано со стремлением улучшить в целом основные параметры промышленных роботов с электрическими при­ водами.

Контрольные вопросы

1.Из каких устройств состоит электропривод?

2.На какие классы по видам регулирования подразделяются электроприводы?

3.Назовите основные способы регулирования электропривода.

4.Какие основные типы электдодвигателей применяются в промышленных роботах?

5.В чем заключается основное отличие методик выбора электродвигателя и передаточного отношения редуктора при позиционном и контурном режимах ратоты промышленного робота?

6.Выберите электродвигатель и передаточное отношение редуктора для конкретных ис­ ходных данных при работе следящего электропривода в позиционном и контурном режимах.

7. С какой целью в контур регулирования скорости следящего электропривода вводится ПИ-регулятор?

8. Каковы основные конструктивные особенности многокоординатного электропривода серии ЭРТ?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наибольших успехов робототехника достигла в машиностроении. Пере­ ход от единичных случаев применения роботов к их массовому использова­ нию позволит повысить уровень автоматизации производства. Автомати­ зированные с помощью роботов производства называются роботизирован­ ными. Они приобретают новое качество — гибкость. Гибкостью производ­ ства называется его способность быстро перестраиваться на выпуск новых изделий или на новую организацию технологических процессов.

Необходимость создания гибких производственных систем обусловлена тем, что увеличивается номенклатура изделий, ускоряется сменяемость одного вида продукции другим,причем выпуск ее должен производиться на базе одних и тех же технологических линий, без увеличения производст­ венных площадей и смены оборудования. Производственная система долж­ на легко модернизироваться и развиваться. Такие производства могут быть реализованы на основе станков с ЧПУ и роботов. Промышленные роботы являются многофункциональными, легкопереналаживаемыми машинами и удовлетворяют требованиям гибкости производства. В гибких системах могут применяться роботы любого поколения. Выбор программного или адаптивного робота со средствами очувствления определяется на основании критерия «стоимость—эффективность».

Гибкая производственная система (ГПС) имеет многоуровневое постро­ ение. На нижнем ее уровне стоит гибкий производственный модуль (ГПМ). Совокупность входящих в него технологического оборудования, промыш­ ленного робота и вспомогательных механизмов принято называть роботи­ зированным технологическим комплексом (РТК). Отдельные модули составляют гибкие автоматизированные участки (ГАУ), гибкие автомати­ зированные линии (ГАЛ), гибкие автоматизированные цеха (ГАЦ).

Особенность гибкого производства состоит не только в использовании высокопроизводительного оборудования, роботов и ЭВМ, но прежде всего в высокой степени его организации, при которой существенно уменьшается влияние человека на производственный процесс.Все это позволяет на тех же производственных площадях изготовить больше продукции с более вы­ соким качеством. Практика показывает, что большие производственные затраты, связанные с созданием гибких производственных систем, вполне себя оправдывают.

Не менее широкие перспективы, чем в машиностроении, имеет приме­ нение роботов в горнодобывающей промышленности^ металлургии, стро­ ительстве, легкой и пищевой промышленности и др. Наряду с

использованием в промышленности роботы начинают внедряться и в другие области народного хозяйства: транспорт, сельское хозяйство, исследования океана и космоса, научные исследования, сфера обслуживания и т.д.

Несмотря на значительные успехи в области робототехники, до полной замены живой рабочей силы роботами пока еще далеко. Необходимо в значительной мере совершенствовать механические манипуляторы, систе­ мы управления, искусственный интеллект.

Под интеллектом понимается врожденная способность человека обраба­ тывать информацию о внешней среде с построением ее моделей и использо­ вать эту информацию для планирования поведения в изменяющейся внешней обстановке. Искусственный интеллект имитирует естественный в отношении решения определенных неформальных задач и реализуется со­ ответствующими системами программного обеспечения. Для решения ин­ теллектуальных задач вычислительная мощность ЭВМ пока еще недо­ статочна. Быстродействия самых современных ЭВМ недостает для решения таких задач, которые способен решать человек. По прогнозам, даже если процесс совершенствования ЭВМ будет идти такими же стремительными темпами, «интеллект» ЭВМ сможет сравниться с интеллектом человека только через несколько десятилетий.

Одним из факторов, ограничивающих возможности существующих ро­ ботов, является необходимость заранее детально описывать выполняемую задачу. Для того чтобы облегчить программирование, следует разработать специальные языки программирования, в которых будут использоваться только простые команды, определяющие задачу, а позиции и траектории будут рассчитываться автоматически. Потребуется соответствующее алго­ ритмическое обеспечение.

Антропоморфный робот обеспечивает относительно большую рабочую зону и работу в стесненном пространстве. Основной недостаток таких робо­ тов — достаточно сложная система управления — может быть исключен за счет повышения вычислительной мощности системы управления. По этой причине роботы с декартовой и цилиндрической системой координат не получат широкого распространения, за исключением тех случаев, когда требуется высокая точность позиционирования. Будут широко использо­ вать роботы с шестью и более степенями подвижности с компенсацией статических погрешностей, с усовершенствованными рабочими органами, имеющими многопальцевые гибкие сочленения.

В будущем за человеком останутся такие трудно алгоритмизируемые функции, как проектирование новой техники, разработка программного обеспечения, наладка машин, распределение продукции, управление и планирование производства. Тем не менее потребность в роботах велика и сфера их применения непрерывно расширяется.

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Автооператор 18	Конический дифференциал 34
Антропоморфность 4	Коэффициент быстродействия 191
	— динамичности 215
Вектор 76	— сервиса 22
— сил инерции главный 178
------реактивных главный 185	Линейное преобразование 83
Векторы матрицы собственные 85
	Манипулятор 11
Гармоническое возбуждение колебаний	Математическая модель механизма 111
214	------многомассовой упругой системы 225
Гидропривод 51	------одномассовой упругой системы 2 12
Грузоподъемность робота 14	Матрица 76
	—демпфирования 225
Датчик положения импульсный 239	— динамической податливости 229
------потенциометрический 240	— жесткости 225
— силомоментного очувствления 67	— инерции 225
— тактильный 68	— передаточных коэффициентов 136
Движение программное 207	— Якоби 126
— робота глобальное 17	Механизм 24
------локальное 17	— зубчатый 25
------региональное 17	— кривошипно-ползунный 27
Демпфирование колебаний 211	— кулачковый 25
	— кулисный 27
Захват вакуумный 73	— направляющий 26
— магнитный 74	— передаточный дифференциальный 133
— пневматический 73	— планетарный 33
Звено механизма 24	— поворота 56
— приведения 219	— синусный 27
	— четырехзвенный рычажный 27
Избыточность манипулятора 18	— эллипсографа 28
	Модель робота динамическая 202
Карданов подвес 21	Модуль вращательного движения 31
Кватернион 163	— подвижности 31
Кисть робота 21	— поступательного движения 54
Класс кинематической пары 24	— силовой 206
— точности робота 241	Момент динамический 189
Классификация промышленных роботов 12	— инерции приведенный 220