электропривод роботов и манипуляторов

Для наиболее полного (решения задачи комплексной ав-томатазащсти техналопичеоних и пр10изв101ДСТ1ве1Нных процессов (безлюдная те.хнология) современные роботизированные участки « гибкие автоматизированные производства (ГАП) требуют модульного и однотипного выполнения как элементов используемого привода, так и привода в целбм при его максимальной конструктивной и функциональной интеграции с другими компонентами технологического оборудования. Многокоординатный дискретный электропривод полностью отвечает этой концепции и в р.яде случаев конструктивно сливается с .производственным участком.

Рис. 1.1. УчастсжРАП

На рис. 1.1 схематически показан участок ГАП, обеспечивающий произвольную взаимную комбинацию движений Инструмента или схвата манипулятора 1, платформы с основной деталью 2 и ;платформы с магаЗИном всПОмогатель-ных деталей 3. Линейные и поворотные координаты приводов построены однотипно и одновременно выполняют функ-

ции конструктивов рассматриваемого производственного участка. Объединение транспортных и производственных операций и возможность «х варьирования как необходимые условия реализации гибкого лроизводственного процесса делают неизбежным программное управление с развитой многоканальной, иерархически поетроенной структурой связей. Поэтому в центре нашего внимания будут задачи выбора и проектирования привода с программным управлением. При высокой степени определенности технологических процессов или производственного цикла привод может строиться по разомкнутой структуре, что обеспечивает ему возможность смены программ без наладочных работ. За-мыкание такой программной структуры необходимо либо при значительной вариации условий эксплуатации, либо с целью расширения диапазона рабочих скоростей и ускорений. В этом случае, как показано в [3], дискретный электропривод становится полным аив1Ива,ле1нтом [беоконтажтного привода постюЯиного тока. Это дает возможность опираться на хорошо разработанную теорию синтеза приводов постоянного тока, уделив внимание л,ишь некоторым частным вопросам, связанным с конструктивными особенностями и параметрами применяемых ШД.

Таким образом, в настоящем пособии выделены общие вопросы проектирования (гл. 1), которые позволяют Правильно выбрать гл!авные размеры собствеиво двигателя, согласовать его с нагрузкой непосредственно или через редуктор и оценить требования, предъявляемые к силовой и управляющей части привода. При этом выделяются две основные постановки. В первой из них предполагается, что привод построен с использованием инвертора напряжения, не позволяющего в общем случае формировать строгие законы изменения токов во всем рабочем диапазоне. Задача проектирования в этом случае решается лерестроевием динамических моделей (гл. 2), что позволяет получить обобщенные динамические показатели, характеризующие собою область физической реализуемости требуемых программных движений. Одновременно эти показатели используются при выборе главных размеров и параметров привода. Вторая постановка предполагает, что привод построен с использованием инвертора тока, который обеспечивает формирование токов, требуемых программой движения. В этом случае оценка рабочих диапазонов и выбор главных размеров двигателя существенно упрощаются. Специфика проектирования

при таком подходе сводится к расчету и построению инвертора тока при известных значениях постоянных Времени цепей фаз, вовиикающих ЭДС я требованиях к точности воспроизведения программного движения (гл. 3).

Применительно к обеим постановкам управляющая часть привода должна обеспечить оптималшые или квазиопти-мальные алгоритмы, реализующие требуемые траектории движения при назначенных уровнях допустимых ошибок. Материалы 1-й-3-й глав содержат наиболее существенные сведения о законах управления. В 4-й главе дается представление о средствах микропроцессорного управления при реализации этих законов.

iB приложении содержатся безразмерные и физические параметры современных ШД, которые позволяют при найденных главных размерах ШД для проектируемого привода обоснованно выбрать наиболее близкий по -своим параметрам серийно выпускаемый двигатель.

Предлагаемые материалы опираются на физические представления и методы математического описания, развитые в учебном посо1бии «Шпатовый э.лект1роприв1одв робототехнике» [3], знакомство с которым необходимо для понимания материала.

1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 1.1. Постановка типовых задач проектирования

Шаговый привод является в общем случае разомкнутой следящей системой, которая обеспечивает непрерывную отработку строго дискретного сигнала. Непрерывное движение вала возникает из-за ограниченности величин и градиентов подводимых энергий, т. е. в результате фильтрующих свойств ШД и ошибок в воспроизведении сигнала. По условиям сохранения устойчивости движения ошибки не могут превосходить некоторых предельных значений. Этим накладываются ограничения на ускорения, скачки программного задания положения и скорости, диапазон изменения скорости и частоты команд. В центре задачи проектирования шагового привода, как бы она ни ставилась в конкретном случае, всегда

оказывается поиск и обоснование его внутренних сор-азмер-ностей, которые обеспечивали бы получение требуемых энергетических И динамических показателей при строгом соблюдении ограничений, наложенных на ошибки.

Предельные значения ошибок и соответствующие им режимы работы ШД известны. Они являются функциями обобщенных параметров п, к, б, Цн и структурных особенностей привода, реализующих применяемые алгоритмы управления. Это обстоятельство облегчает .постановку задачи в общем случае, так как можно ограничиться оценкой предельных возможностей устройства, отступая на практике от найденных границ для создания запаса устойчивости в условиях нестабильности параметров и внешних воздействий.

Проектное задание содержит: 1) сведенияоб исполнительном механизме, т. е. даны момент или сила сопротивления нагрузки Мп, Fn; момент инерции или масса нагрузки /н, тв\ 2) требования к времени позиционирования (перемещения) на интервале пути бмех, л;мех или к траектории движения 0Mex = f(/), Хмех=/(0. нсскольким характерным траекториям или области реализации произвольных программных движеций, oipp а ничейной предельными ©заимосвя-

ЗаННЫМИ значениями координат Омех.,ах(0. Шмех. тм();

Смех. max. {t)\ 3) ограничения на допустимые ошибки в положении Дбмех. доп И скорости ЛсОмех. доп/ 4) ВИД ВХОДНОЙ

информации (унитарный или цифровой код); 5) дополнительные сведения об источнике питаиия, условиях эксплуатации или ограничения по мощности потребления, массогабаритным показателям, конструкции и т. п. Отметим, что для привода роботов характерны переменные значения момента сопротивления и момента инерции, но они обычно

являются известными функциями пути Мн = :/1 (9„ех), /н =

= [2(Эмех). Это не изменяет задачу построения строго заданного движения 6мех=/(/), но существенно усложняет ее при контурном управлении с неизвестной заранее траекторис1" движения. В этом случае шаговый лривод, замкнутый по положению и скорости, синтезируется как привод постоянного тока.

Будем рассматривать проектирование н выбор разомкнутых структур привода, применительно к которым замыкание по положению является предельным переходом, позволяю- щим оценить границы изучаемого режима.

Первая и наиболее простая постановка задачи проектирования предполагает, что двигатель дан и известны его па-

раметры: максимальный момент Мтах, момент инерции ротора /р, число пар полюсов или зубцов ротора pn=Zr, число фаз т, вид коммутации (однополярная или разнополярная), сопротивление и индуктивность фазы и Ьф, ток фазы в статике /фном допустимый из тепловых соображений, максимальное потокосцепление фазы с магнитом или контуром возбуждения Wmax- Нсобходимо согласовать двигатель с исполнительным механизмом через редуктор или непосредственно, назначить электрический шаг а=2л/п, выбрать и рассчитать инвертор напряжения или тока, обосновать алгоритм управления и построить в соответствий с ним логичес--кую часть схемы привода.

Усложнением этой постановки является предварительный выбор ШД по каталожным данным (см. приложение). Ориентировочные правила такого выбора сводятся к тому, чтобы приведенный к валу ШД момент сопротивления нагрузки составлял Л?н=Л1нА0,4М„,„:„ а момент инерции /„= = /н/1~/р. Полюсность двигателя и передаточное отношение редуктора i при этом ограничивают в соответствии с заданием статическую угловую ошибку

arCSin Шн1М,„а,с) а П П

При жестких требованиях технического задания или проектирования ответственных установок таких простых соображений по выбору двигателя недостаточно. В этом случае возникают оптимизационные задачи выбора или полного проектирования ШД, отвечающего поставленному критерию оптимальности: .минимум массы, потребляемой мощности или ошибки позиционирования, максимум быстродействия и т.д. Главной составной частью подобных задач является определение главных размеров двигателя Dp, /р - диаметра и длины ротора вращающихся ШД, через которые находятся остальные параметры двигателя и обоснованно выбир-ается или исключается редуктор. Оцененный таким образом оптимальный ШД либо полностью рассчитывается и должен быть построен, либо позволяет выбрать по каталогу ближайщий по размерам и параметрам серийный образец. Рассмотрим за-чи выбора главных размеров вращающихся и линейных

Кинематические преобразователи движения расширяют воз.можности оптимального проектирования. Однако использование механических передач нежелательно в прецизионных