30. Rodzaje napędów w robotyce i mechatronice

30.
Rodzaje napędów w robotyce i mechatronice.
Wprowdzenie
We wspołczesnych robotach stosowane są w zasadzie trzy rodzaje siłownikow, a
mianowicie: pneumatyczne, hydrauliczne i elektryczne oraz ich kombinacje. Każdy
robot jest
wyposażony w układ siłownikow rozmieszczonych odpowiednio na ramionach robota lub w
jego połączeniach ruchowych, tworząc napęd robota.
Na rys.1 przedstawiono udział procentowy rożnego rodzaju siłownikow stosowanych w
robotach przemysłowych. Dane dla rys. 1a zostały opracowane w 1977 roku na probce 118
robotow przemysłowych. Na rys. 1b pokazano rozkład siłownikow na podstawie szacunku z
ostatnich lat. Ze względu na rozwoj nowych odmian silnikow elektrycznych, takich jak:
krokowe, liniowe, tarczowe oraz tzw. bezpośredniego napędu, udział napędu elektrycznego
wzrosł z 12.7% w roku 1977 do około 50% w roku 1990.
Zmniejszył się udział napędu pneumatycznego z około 45% do 10%. Napęd
hydrauliczny nadal pozostaje podstawowym napędem, szczegolnie dla robotow o dużych
udźwigach - przenoszonych obciążeniach.
W ostatnim okresie pojawiły się nowe rozwiązania układow pneumatycznych typu
serwomotor, co może spowodować renesans tego typu napędu.
Rys. 1. Udział procentowy rożnego rodzaju siłownikow stosowanych w robotach:
a) rok 1977, b) rok 1990
Napędy elektryczne
W pierwszej fazie rozwoju robotow przemysłowych stosowano napędy pneumatyczne i
hydrauliczne. Wzrost wymagań w stosunku do robotow drugiej i wyższych generacji
spowodował rozwoj napędow elektrycznych. Szacuje się obecnie, że 50% robotow ma napęd
elektryczny.
Napędy elektryczne mają następujące zalety:
niska cena napędu i układu sterowania w porownaniu z napędem hydraulicznym;
prostota układu zasilania;
duża niezawodność;
duża prostota czynności konserwacyjnych;
praca bez hałasu;
małe wymiary układu sterowania i zasilania.
Wadami napędu elektrycznego są:
niekorzystny, w porownaniu z napędem hydraulicznym, stosunek mocy
do masy urządzenia, szczegolnie dla dużych mocy. Stąd też przy manipulatorach o bardzo
dużym udźwigu nie stosuje się napędu elektrycznego;
właściwości dynamiczne napędu elektrycznego pomimo dużego postępu
w tej dziedzinie, wciąż są gorsze od właściwości dynamicznych napędu
hydraulicznego;
wrażliwość na długotrwałe przeciążenia, mogące doprowadzić do spalenia silnika;
duże prędkości kątowe znamionowe wymagające stosowania przekładni
redukcyjnych.
Spośrod rożnych silnikow elektrycznych największe zastosowanie znalazły
komutatorowe silniki elektryczne prądu stałego i krokowe silniki elektryczne, zwłaszcza w
tzw. bezpośrednim napędzie elektrycznym. Te ostatnie dobrze nadają się dla celow
pozycjonowania. Bezkomutatorowe indukcyjne silniki elektryczne nie są korzystne przy
zmiennej prędkości obrotowej i przy zmianach kierunku wirowania, bezkomutatorowe
synchroniczne silniki elektryczne zaś nie są szeroko stosowane, chociaż mają szereg zalet. W
ich układzie sterowania wymagany jest magnetoindukcyjny bądź optoelektroniczny impulsator
montowany na wale napędowym, ktory rownież jest niezbędny dla komutatorowych
silnikow elektrycznych prądu stałego. Krokowe silniki elektryczne wymagają dalszego
doskonalenia ich parametrow siłowych, geometrycznych i sterowania. Rownież liniowe
silniki elektryczne nie są często stosowane.
Postęp w budowie silnikow wykonawczych prądu stałego i silnikow skokowych
doprowadził do opracowania konstrukcji silnikow elektrycznych odpowiadających
warunkom stawianym przez napędy manipulatorow. Warunki te obejmują m.in.:
małe znamionowe prędkości kątowe (obrotowe);
odporność na krotkotrwałe znaczne przeciążenie, np. momenty rozruchowe ok. 10 razy
większe niż momenty znamionowe;
zapewnienie aperiodyczności procesow przejściowych w całym zakresie zmian
parametrow;
małe rozmiary;
mała bezwładność wirnika;
krotkie czasy rozruchu i hamowania, rzędu milisekund.
Napędy hydrauliczne
Napęd hydrauliczny, pomimo wzrostu zastosowania napędu elektrycznego, pozostaje
nadal jednym z podstawowych napędow, szczegolnie tam, gdzie chodzi o szybkie
przemieszczanie przy znacznych obciążeniach robota.
Jeśli dla przykładu weźmiemy pod uwagę siłownik hydrauliczny o powierzchni
użytkowej tłoka 50 cm zasilany ze źrodła energii hydraulicznej o ciśnieniu 21.0 MPa, to przy
ciśnieniu 14.0 MPa uzyskuje się na wyjściu siłownika siłę 70 000 N.
Krotki czas rozruchu (od kilkudziesięciu milisekund do 1 s) uwidacznia korzyść ze
stosowania napędu hydraulicznego.
Rozpowszechnienie tych napędow jest spowodowane takimi ich zaletami jak:
łatwość uzyskiwania dużych sił przy małych rozmiarach i ciężarach urządzeń;
łatwość precyzyjnego sterowania położenia elementu wykonawczego;
bardzo dobre właściwości dynamiczne. Małe momenty bezwładności części ruchomych
sprawiają, że siłowniki hydrauliczne odznaczają się bardzo dużą prędkością działania;
łatwość uzyskiwania ruchow jednostajnych;
możliwość uzyskania małych prędkości ruchu elementu wykonawczego bez
konieczności stosowania przekładni;
mała wrażliwość na zmiany obciążenia i przeciążenia, łatwość zabezpieczenia przed
przeciążeniami;
łatwość konserwacji (samoczynne smarowanie) i prostota użytkowania;
duża pewność ruchowa.
Do wad napędow hydraulicznych należy:
duży hałas wytwarzany przez pompę;
zanieczyszczenia wywołane ewentualnym wyciekiem oleju.
W skład napędow hydraulicznych wchodzą:
elementy wykonawcze (siłowniki) sprzęgnięte bezpośrednio z ramionami
manipulatorow;
elementy sterujące: wzmacniacze i przełączniki sterujące strumieniem (natężeniem
przepływu) i kierunkiem przepływu cieczy roboczej;
źrodło przepływu, ktorym jest pompa zębata, śrubowa lub łopatkowa;
źrodło energii, ktorym jest silnik elektryczny napędzający pompę;
elementy pomocnicze: filtr cieczy roboczej, zawory zabezpieczające, przewody,
zbiorniki cieczy roboczej;
ciecz robocza, ktorą jest zwykle odpowiedni olej.
Napędy pneumatyczne
Napęd pneumatyczny wykorzystuje środowisko ściśliwe, na ogoł sprężone powietrze.
Zaletą tego typu napędu jest łatwość uzyskiwania powietrza do zasilania układu oraz
możliwość łączenia układu z atmosferą po zakończeniu cyklu pracy. Niskie ciśnienie w
porownaniu z napędem hydraulicznym czyni ten rodzaj napędu bezpiecznym w eksploatacji.
Ponadto powietrze nie ma własności lepkich i ma dobre własności dynamiczne. Rownież
niewielka sztywność (wysoka podatność powietrza) korzystnie odrożnia go od cieczy.
Podstawowymi zaletami napędu pneumatycznego są:
bardzo duża pewność ruchowa;
większa prostota konstrukcji aniżeli dla napędow hydraulicznych;
niska cena urządzeń w porownaniu z napędem hydraulicznym;
mała masa urządzeń i pomijalna masa czynnika roboczego w porowna niu z napędami
hydraulicznymi;
powolne narastanie sił, bardzo istotne np. przy sterowaniu chwytakow.
Stąd często przy hydraulicznym lub elektrycznym napędzie ramion manipulatora
spotyka się napęd pneumatyczny chwytaka;
duża przeciążalność;
iskrobezpieczeństwo.
Do wad napędow pneumatycznych należy:
trudność uzyskiwania ruchow jednostajnych z powodu dużej ściśliwości
czynnika roboczego;
duża wrażliwość ruchu na zmiany obciążenia;
gwałtowny rozruch, szczegolnie przy małym obciążeniu;
znacznie mniejsze siły i momenty aniżeli dla napędow hydraulicznych.
Wynika to z konieczności ograniczania ciśnień roboczych do ok. 0,49...0,69 MPa (ok.
5...7 atn); przy wyższych ciśnieniach wzrastają bowiem nieproporcjonalnie koszty
sprężania powietrza;
konieczność zabezpieczania elementow przed korozją;
trudność sterowania położenia elementu wykonawczego.
Pod względem konstrukcyjnym i funkcjonalnym napędy pneumatyczne manipulatorow
mają dużo cech wspolnych z napędami hydraulicznymi sterowanymi
dwupołożeniowo za pomocą przełącznikow hydraulicznych. W skład napędow
pneumatycznych wchodzą:
elementy wykonawcze — siłowniki — sprzęgnięte bezpośrednio z ramionami
manipulatorow;
elementy sterujące — przełączniki pneumatyczne sterujące dwupołożeniowo
przepływ czynnika roboczego;
źrodło czynnika roboczego, ktorym jest najczęściej system przewodow
sprężonego powietrza;
elementy pomocnicze: filtr powietrza, zawor redukcyjny, smarownica;
czynnik roboczy — powietrze.
Napęd pneumatyczny znajduje zastosowanie w małych prostych robotach typu "pickandplace". Na przykład firma Leiko wytwarza rożne odmiany takich robotow. Także w
latach osiemdziesiątych firma IRI (Inter. Robomotion Intelligence) zaczęła wytwarzać robota
o pięciu osiach i o napędzie pneumatycznym typu serwo ze sterowaniem komputerowym.
Robot ten ma udźwig 10 kg oraz prędkość do 0.5 ms - 1 . Układ pokazany poniżej wykorzystuje
głownie energię pneumatyczną o ciśnieniu 0.4-0.8 MPa. Zderzak liniowy (1) (czasami
obrotowy) otrzymuje powietrze z rozdzielacza (2), ktory jest sterowany z logicznego układu
pneumatycznego lub elektrycznego (5). Wyłączniki krańcowe (3) przesyłają sygnał logiczny i
następuje zatrzymanie na zderzakach (4). W takim układzie wyposażonym na ogoł w
amortyzator występują tylko dwie pozycje (3). Na wieloosiowym manipulatorze typu
pneumatycznego (0-1) można zmienić cykl i okres trwania cyklu za pomocą programu, ale
zakres ruchu musi być zmieniany ręcznie. Taki układ jest znacznie mniej elastyczny (od
proporcjonalnego), ale stosunkowo tani.
Rys. Zasada działania układu pneumatycznego typu U-1
Zasada działania układu pokazanego na rysunku 27 jest następująca. Sercem tego
układu jest dwustopniowy wzmacniacz. Pierwszy stopień zwany jest uderzeniowym
wzmacniaczem tłokowym. Błąd położenia dźwigni x kontroluje ciśnienie p2 ,ktore z kolei
określa położenie y tłoka drugiego stopnia wzmacniacza. Nazwany przekaźnikiem powietrza
drugi stopień wzmacniacza zapewnia duży przepływ. Sygnał błędu x zmniejsza błąd dźwigni
wraz ze zmniejszaniem ciśnienia p2. W rezultacie tłok przesuwa się zmniejszając wypływ
powietrza do atmosfery i powodując wzrost ciśnienia p1 (ciśnienie doprowadzane do układu
napędowego). Ta akcja zwiększa działanie sprzężenia mieszkowego, czyli przesuwa błąd
dźwigni na lewo (z wzrasta). Zachodzi to wowczas, kiedy dźwignia przemieszcza się w
lewo, co powoduje zmniejszenie ciśnienia (z maleje). Rownowagę położeń tłokow i
sprzężenia zapewniają sprężyny o stałych kz i kf , A2 i A1 są odpowiednio powierzchniami
tłoka i mieszka.
Rys. Proporcjonalny sterownik pneumatyczny [wg Raven, Automatic Control Eng.,
Edition McGraw Hill Book Company, New York, 1968, s. 537]
Innym przykładem sterownika pneumatycznego może być sterownik pokazany na
następnym rysunku. Uzyskuje się go dzięki wyposażeniu układu proporcjonalnego z rys. 27
w dodatkowe elementy. Może to być opcja rożniczkująca poprzez wprowadzenie
odpowiednich ograniczeń do układu sprzężenia mieszkowego. Sterowanie całkujące
uzyskuje się przez dodanie innego mieszka z lewej strony punktu z. Można połączyć te
działania w celu otrzymania sterownika pneumatycznego typu PID. Każdy ze sterownikow
może być wykorzystany do napędu połączenia postępowego robota. Czterodrożny suwak i
tłok/cylinder działają jak układ hydrauliczny. Jest rownież możliwe napędzanie przegubu
obrotowego przez zastosowanie turbinowego silnika pneumatycznego. Urządzenie to
wytwarza moment proporcjonalny do ciśnienia wyjściowego sterownikow p0 i jest
niezależne od prędkości dźwigni. Sprężone powietrze o wysokim ciśnieniu umożliwia
szybkie i dokładne ruchy z udziałem mechanicznych ogranicznikow do zatrzymania
poszczegolnych przegubow.
Rys. Udoskonalony siłownik pneumatyczny z rys. Poprzedniego
Jeżeli mamy do czynienia z dużymi udźwigami, wymagającymi utrzymania określonej
trajektorii, należy stosować siłowniki hydrauliczne.