Приводы строительных роботов

Привода строительных роботов представляют собой систему технических средств, включающих двигатели, редукторы, датчики положения и скорости, регуляторы. Главными параметрами, определяющими свойства привода, являются: мощность, диапазон регулирования скорости, пределы изменения обобщенной координаты, точность обработки управляющих сигналов, быстродействие. К основным особенностям приводов строительно-монтажных роботов следует отнести широкий диапазон изменения нагрузок, высокую точность выполнения установочных и ориентирующих движений, возможность работы в заторможенном режиме, высокие требования к динамическим нагрузкам.

Анализ приводов строительной техники и промышленных роботов показал, что в строительных роботах, в зависимости от их назначения и специализации, могут применяться электрические, гидравлические и пневматические приводы. Для строительно-монтажных роботов интерес представляют электрические и гидравлические приводы, в то время как для отделочных роботов – электрические и пневматические. В бетоноукладочных роботах предпочтение отдается гидравлическим приводам. В роботах, используемых на заводах строительной индустрии, применяются все три типа приводов. В данном разделе рассмотрим особенности и динамические свойства каждого вида привода.

Электропривод в настоящее время является основным приводом строительных роботов. Он имеет следующие преимущества: компактность, доступность энергии на строительных площадках, легкость регулирования, высокое быстродействие, жесткость нагрузочной характеристики, широкий диапазон изменения моментов нагрузки, высокую точность позиционирования, способность к динамическим нагрузкам, возможность длительной работы в заторможенном режиме и высокий показатель надежности. К основным недостаткам такого привода следует отнести наличие коллектора и зависимость скорости от нагрузки. В общем случае следящий электропривод постоянного тока можно представить в виде физической модели, приведенной на рис.2.5. Он состоит из двигателя 1, развивающего электромагнитный момент М, редуктора 2 с коэффициентом передачи k_пи нагрузки 3, к которой прикладывается со стороны двигателя момент М_н.

 

 

Система привода характеризуется углами поворота вала двигателя j и вала нагрузки j_н., а также моментами инерции: якоря двигателя J_я, редуктора J_р, нагрузки J_н . Электродвигатель развивает момент М, который через редуктор преобразуется в момент М_н, прикладываемый к нагрузке. Силы сопротивления в двигателе и редукторе создают момент М_с, приведенный к валу двигателя, а на валу нагрузки действует момент сил сопротивления М_сн. При этом на систему действует возмущающий момент М_в. Управляющим сигналом обычно является напряжение питания якорной цепи U_у. Движение рассматриваемой системы можно описать уравнением вида:

. (2.17)

Это уравнение характеризует движение электромеханического привода. Момент нагрузки зависит от параметров движения и в основном определяется силами сухого трения. В приводах строительных роботов его можно аппроксимировать функцией вида

М_н = М(w) = c signw, (2.18)

где w – угловая скорость.

Основными параметрами электропривода постоянного тока являются момент, развиваемый двигателем и угловая скорость w. Момент двигателя определяется током якоря

, (2.19)

где - коэффициент момента, - ток, протекающий по цепи якоря. Угловая скорость якоря в установившемся режиме определяется из уравнения электрического равновесия

, (2.20)

где - коэффициент противоЭДС, - активное сопротивление цепи якоря.

Выбор привода и построение алгоритмов управления производится на основе механических и регулировочных характеристик. Различают регулировочные характеристики: по скорости и по моменту . Механическая характеристика является обобщенной и позволяет оценить влияние на скорость двигателя момента нагрузки и зависимость ее от напряжения управления . На основании уравнений (2.17) и (2.18) выражение для механической характеристики можно получить в виде:

, (2.21)

где - пусковой момент при ; - коэффициент демпфирования, определяющий наклон (жесткость) механической характеристики. Как видно из механических характеристик, приведенных на рис.2.6, устойчивость двигателя повышается при увеличении коэффициента демпфирования F. Это связано с увеличением жесткости механических характеристик, т.е. с уменьшением зависимости угловой скорости от внешней нагрузки.

Регулировочная характеристика по скорости (рис.2.7) описывается уравнением

, (2.22)

где – коэффициент передачи двигателя по скорости, – передаточное отношение редуктора.

При отсутствии нагрузки регулировочная характеристика проходит через начало координат, а при действии момента нагрузки они смещаются на расстояние определяемой величиной . Так как в двигателе существует момент статического трения , то интерес представляет напряжение трогания определяющее статическую ошибку регулирования:

. (2.23)

Для управления роботами, выполняющими силовые операции, интерес представляют регулировочные характеристики по моменту :

. (2.24)

Динамические свойства двигателей постоянного тока описываются системой уравнений:

(2.25)

где – индуктивность обмотки якоря; – полный момент инерции, приведенный к валу двигателя; – вращающий момент; – приведенный момент нагрузки. Первое уравнение является уравнением электрического равновесия якорной цепи двигателя, а второе – уравнением механического равновесия. При этом эквивалентный момент инерции привода имеет вид:

, (2.26)

где - момент инерции якоря; - момент инерции редуктора; - момент инерции нагрузки; - коэффициент передачи.

Результирующий момент сопротивления , приведенный к валу двигателя, составляет

, (2.27)

где – момент сил сопротивления двигателя и редуктора; M_ср – момент сил сопротивления на валу нагрузки; – момент внешних сил (нагрузки).

Для анализа динамики и синтеза управляющего воздействия лучше использовать передаточные функции. Передаточная функция двигателя постоянного тока по управляющему воздействию (при М_с=0) равна:

. (2.28)

В строительных работах для большинства двигателей постоянного тока влияние индуктивности якорной обмотки на динамические свойства незначительно, т.е. >> , что дает возможность пренебречь постоянной времени и передаточные функции двигателя представить в виде

. (2.29)

Общая схема электропривода постоянного тока включает регуляторы тока (РТ), скорости (РС) и положения ( РП) ( рис.2.8). Обратные связи обеспечиваются датчиками тока (ДТ), скорости ( ДС) и положения (ДП).

 

 

В роботах с позиционным управлением целесообразно использовать регуляторы с обратными связями по току и по положению. В роботах с контурным управлением эффективно использовать регуляторы с обратными связями по току и по скорости. В качестве закона управления рекомендуется использовать ПИД-регуляторы. Введение обратной связи по току позволяет повысить жесткость механических характеристик, а включения в закон управления производной повышает быстродействие и исключает пере регулирование.

Электрогидравлический привод в первую очередь представляет интерес для строительных роботов большой грузоподъемности (свыше 100 кг), в которых имеют место значительные инерционные нагрузки от подвижных звеньев манипуляционной системы. Использование гидропривода позволяет получить необходимые динамические характеристики, обеспечить снижение массы робота. Гидравлические приводы позволяют развивать большие крутящие моменты и усилия, обладают высоким быстродействием и точностью, имеют простую реализацию возвратно-поступательного движения.

Для строительных роботов наибольший интерес представляют гидропривода с силовыми цилиндрами и золотниковым управлением (рис.2.9). В гидросистемах строительных роботов с цикловым управлением применяют релейные гидроприводы, снабженные электрозолотниковыми распределителями для подачи потока жидкости в необходимом направлении. При отсутствии управляющих напряжений (U_1, U₂) на обмотках золотника ЭГЗ, последний перекрывает оба окна, соединяющие полость золотника с цилиндром ГЦ. При подаче напряжения U₁ на левую обмотку золотника происходит соединение правой полости гидроцилиндра с напорным трубопроводом (Р_н), а левой - со сливным трубопроводом (Р_с). Под влиянием разности давлений Р₁ и Р₂ поршень перемещается влево. Подача напряжения на правую обмотку золотника приводит к перемещению поршня гидроцилиндра вправо. Скорость движения поршня регулируется с помощью дросселей, управление которыми выполняться вручную или в автоматическом режиме от управляющего устройства. Нагрузочная характеристика дроссельного гидропривода описывается уравнением

, (2.30)

где – скорость движения подвижного элемента без нагрузки; – текущее значение полезного усилия; – тормозное усилие на поршень гидроцилиндра. Максимальное значение выходной мощности дроссельного гидропривода составляет .

Энергетические характеристики определяются коэффициентом полезного действия и его ­функциональной зависимостью от полезной нагрузки. Теоретическое значение коэффициента полезного действия гидропривода с дроссельным управлением не превышает 25%.

Наибольший интерес для строительных роботов представляет следящий гидропривод, который может успешно использоваться в роботах с позиционным и контурным управлением. В качестве гидравлических следящих систем в роботах применяются гидроприводы с дроссельным и объемным регулированием скорости выходного звена. По виду управляющего сигнала следящие гидроприводы с дроссельным управлением делятся на две группы: с непрерывным и дискретным управляющим сигналом. В строительных роботах предпочтение следует отдавать следящему дроссельному гидроприводу с непрерывным управлением, а также гидроприводу с широтно-импульсным управлением.

Типовая схема следящего гидропривода с непрерывным управляющим сигналом и двухкаскадным электрогидравлическим усилителем, представлена на рис.2.10. При поступлении на вход элемента сравнения ЭС управляющего сигнала U_у происходит его сравнение с сигналом обратной связи. Сигнал рассогласования поступает на вход преобразующего устройства ПР, которое формирует необходимый закон управления. Сформированное регулирующее воздействие через усилитель мощности УМ подается на электромеханический преобразователь ЭМП гидравлического усилителя типа сопло-заслонка с пружинной обратной связью. Выходным каскадом гидравлического усилителя является золотниковый распределитель ЗР. В соответствии со знаком и уровнем управляющего сигнала U_у золотниковый гидрораспределитель смещается относительно нейтрального положения на определенную величину в ту или иную сторону. Это вызывает движение в соответствующую сторону поршня гидроци линдра и изменение положения датчика Д обратной связи.

Сигнал с датчика через измерительную схему поступает на вход элемента сравнения ЭС. Движение поршня гидроцилиндра будет происходить до тех пор, пока сигнал отрицательной обратной связи U_ос не сравняется по модулю с управляющим сигналом U_у. В этом случае золотниковый распределитель займет нейтральное положение и движение поршня гидроцилиндра прекратится.

Основной статической характеристикой следящего гидропривода с дроссельным управлением является зависимость скорости перемещения подвижного элемента от рассогласования. В относительных единицах статическая характеристика имеет вид:

, (2.31)

где - относительная скорость; - относительное рассогласование; - относительная нагрузка. При постоянном коэффициенте расхода и идеальном золотнике нагрузочная характеристика выражается описывается в виде:

, (2.32)

где v - текущее значение скорости подвижного элемента; v_max - скорость под-вижного элемента без нагрузки; F - текущее значение усилия, развиваемое поршнем; F_тр - тормозное усилие, развиваемое на подвижном элементе привода. Механическая нагрузочная характеристика для гидропривода с дроссельным регулированием определяет функциональную зависимость скорости выходного звена v от перемещения золотникового распределителя d и от перепада давлений DP:

, (2.33)

где k_п - коэффициент пружинной нагрузки распределителя. График механической характеристики приведен на рис.2.11.

Динамическая модель рассматриваемого следящего привода при синтезе законов управления может быть получена на основании рассмотрения линеаризованных моделей гидроцилиндра и золотникового распределителя. Используя уравнение нагрузки регулятора

(2.34)

и уравнения располагаемого и потребного расходов жидкости

; . (2.35)

составляется структурная схема следящего гидропривода (рис.2.12).

На основании структурной схемы можно записать передаточную функцию следящего гидропривода в виде:

, где . (2.36)

В строительной робототехнике используется широкий спектр пневмоприводов, основными преимуществами которых являются высокое быстродействие, низкая стоимость, простота в обслуживании. К их недостаткам следует отнести трудность управления и высокие потери энергии на трение (до 10-
20%).

Несмотря на это пневмопривода представляют интерес в первую очередь для роботов с цикловым управлением, которые предназначены для работы на предприятиях стройиндустрии. В этих роботах могут использоваться пневмоцилиндры одно- и двухстороннего действия, с торможением и без торможения. Ход поршня пневмоцилиндров обычно составляет 8-10 диаметров. Кроме того, в строительных роботах могут использоваться сдвоенные пневмоцилиндры, вращающиеся пневмоцилиндры, поршневые позиционеры. Для отделочных роботов интерес представляет следящий пневмопривод, обладающий взрывобезопасностью работы в условиях распыления легко воспламеняющих окрасочных материалов.

Пневмопривод с цикловым управлением включает пневмо-цилиндр ПЦ и электропневмо-золотники Пр1 и Пр2 (рис.2.13). При этом чаще используются пневмоцилиндры двухстороннего действия с односторонними и двухсто ронними штоками. Управление перемещением поршня осуществляется с помощью одно- или двухпозиционных распределителей — электро-пневмозолот-ников. Управление распределителями выполняется управляющим устройством по заданной программе. Регулирование скорости штока пневмоцилиндра выполняется изменением расхода на входе или на выходе с помощью регулируемого дросселя. На пневмопроводе, подающим воздух для работы робота , устанавливаются влагоотделитель ВО, редукционный клапан РК, маслораспределитель МР. С помощью редукционного пневмоклапана производится настройка рабочего давления. Маслораспре-делитель обеспечивает распыление масла, необходимого для смазки подвижных элементов пневмодвигателей и распределителей. Плавный останов поршня обеспечивается встроенными тормозными или демфирующими устройствами.

Для получения в строительных роботах вращательного движения используются поворотные пневмодвигатели. В качестве поворотных двигателей удобно применять двухпозиционные поршневые пневмодвигатели (рис.2.14). В его состав входит два поршня 1, соединенных штоком 2 с зубчатой рейкой. Последняя передает линейное перемещение штока шестерне 3, что обеспечивает преобразование линейного перемещения в угловое.

Для строительных роботов наибольший интерес представляет следящий пневмопривод. Основу следящего пневмопривода составляет пневмоцилиндр 1 двухстороннего действия и струйный распылитель 3 (рис.2.15). На оси струйного механизма 4 располагается электромагнитный преобразователь с обмотками управления 5. При наличии разности токов управления электромагнитный преобразователь поворачивает струйный элемент 4 на угол a, пропорциональный разности токов. В качестве датчика обратной связи используются датчики перемещения 2, измеряющие положение штока пневмоцилиндра.

Статическая нагрузочная характеристика такого привода определяет зависимость давления в полостях пневмоцилиндра от входного управляющего сигнала. Так как отклонения струйной трубки h пропорционально току управления, то статическая характеристика определяется в виде:

P_1,2. = f(h) или DP = f(h), где DP = P₁ - P₂­.

При нулевом управляющем сигнале (h = 0) давление в полостях цилиндра одинаково и составляет P_1,2. » 0,5 P_о. При наличии управляющего сигнала h наполнение полости происходит при докритическом режиме P₁/P_о ³ 0,5, а опорожнения второй полости происходит в надкритическом режиме P_ат/P_о£0,5. Статические характеристики следящего привода в относительных единицах имеют вид, представленный на рис.2.16. Рабочий участок составляет 60%.

Для анализа и синтеза регулятора следящего пневмопривода вводятся в рассмотрение коэффициенты усиления по давлению (k_p), по расходу (k_G) и коэффициент скольжения (k­_ск):

, ,

где – относительный перепад давлений на поршне пневмоцилиндра; – относительный расход через двигатель.

На их основании можно записать передаточную функцию управляемого пневмопривода в виде:

, (2.37)

где – коэффициент усиления привода по скорости; – коэффициент физических свойств; – постоянная времени привода, выражаемая через механическую постоянную времени Т_м газовую постоянную времени Т_г; – коэффициент демпфирования. Коэффициент усиления привода k_пр характеризует крутизну нарастания расхода при перемещении струйной трубки.