05 июня 2017г.
Приводы современных робототехнических систем отличаются большим разнообразием: в разных отраслях строятся приводы на совершенно различной физической природе. Можно выделить как классические электрические, гидравлические, пневматические, так и современную «экзотику»: искусственные мышцы и др. Несмотря на внедрение современных инновационных подходов, в промышленности доля использования электроприводов не уменьшается, и на сегодняшний момент составляет, по различным оценкам, свыше 75 процентов. Соответственно характеристики проектируемых электроприводов выходят на первый план как с точки зрения технических показателей, так и экономических.
К таким показателям можно, например, отнести массогабаритные характеристики и высокую точность работы и позиционирования манипулятора, коэффициент полезного действия, удобство работы и обслуживания, широкий диапазон перестройки частоты, цену.
Данная работа посвящена возможному варианту модернизации малогабаритного робототехнического оборудования с точки зрения массогабаритных условий, удобства управления и цены. Такой подход справедлив при разработке лабораторных стендов по исследованию показателей и возможной регулировке характеристик двигателя постоянного тока, принципиальная схема которого приведена ниже (рис.1).
Двигатель постоянного тока рассматривается
в контексте удобства управления и широкой применимости в простейших цикловых робототехнических системах, популярностью в этой области он пользуется из-за ряда преимуществ:
•
широкий спектр данного типа двигателей;
•
доступность на рынке;
•
высокая мощность и момент, в сравнении с другими типами двигателей;
•
просты в подключении и использовании.
Мощность и момент двигателя постоянного тока прямо-пропорционально зависит от его массогабаритных
характеристик.
Но с
увеличением
размеров
двигателя, резко снижается точность его работы из-за возрастания махового момента, величина которого квадратично зависит от размеров ротора ДПТ. Также, увеличение
габаритов робота может усложнить процесс компоновки и, непосредственно, сборку и установку на производственном конвейере самого манипулятора.
В рамках данного исследования рассмотрим тандемную модификацию двух двигателей постоянного тока. Рассмотрим общие этапы исследования:
•
моделирование в SolidWorks
•
идентификация параметров тандемного привода
•
построение математической модели привода
•
оснащение стенда набором необходимых для исследований датчиков, снятие экспериментальных характеристик и сравнение с полученной математической моделью.
•
исследование поведение модели двигателя с различными типами нагрузки.
В SolidWorks была разработана 3D модель принципиального устройства такой модификации, два двигателя, объединенные на один вал (редуктор) (рис.2).
Такая сборка обладает рядом преимуществ, в сравнении с одиночным двигателем, который будет обладать таким же крутящим моментом и такой же максимальной мощностью:
•
повышенная надежность электропривода (ЭП) (даже если один двигатель выйдет из строя, второй будет поддерживать рабочее состояние механизма до выявления и устранения неполадки);
•
улучшенные энергетические показатели при работе с малыми нагрузками;
•
уменьшение махового момента и потерь в пусковых сопротивлениях (реостатах);
•
удобное расположения рабочих механизмов (при невозможном использовании крупногабаритного эл. двигателя, использование многомашинного электропривода позволит расположить два меньших двигателя при работе на 1 вал)
Для наглядности, мы провели исследование
зависимости максимального
крутящего момента
и максимальной мощности двигателя от его размеров. Так, к примеру, для ДПТ серии «4П…М (С)» график зависимости максимальной мощности от его размеров выглядит так:
Зависимость максимального крутящего момента от габаритов одиночного ДПТ серии «2ПБВ…» имеет вид:
Анализируя данные графики, можно убедиться в том, что массогабаритные характеристики являются определяющими показателями силовых возможностей двигателя. Следовательно, невозможно достичь желаемо высокого значения мощности, без значительного увеличения массы, а, следовательно, и габаритов двигателя. Естественно значительные масса и габариты ДПТ не приемлемы, они сделают роботизированные устройства неоправданно громоздкими, малоподвижными и низкоточными, из-за этого автоматизированные системы могут потерять свою актуальность во многих отраслях промышленности.
Исследуемый сдвоенный электродвигатель был оборудован оптическим энкодером, электрическая принципиальная схема которого приведена ниже (рис.5):
С помощью данного энкодера были сняты показания, которые экспортировались в Microsoft Office Excel, где методом «наименьших квадратов» была выполнена аппроксимация, полученных ранее данных. В результате была получена переходная характеристика, исследуемой «тандемной» модификации двигателей постоянного тока (рис.6):
Данную переходную характеристику можно аппроксимировать функцией, соответствующей переходной характеристике апериодического звена первого порядка:
Для данной передаточной функции в Simulink была построена модель [4], которая симулирует разгонную характеристику нашего двигателя, при подаче на вход единичного ступенчатого
воздействия (Рис.7):
Для определения инерционности «тандемной модификации» двух двигателей постоянного тока, был получен график торможения ДПТ (Рис.8):
Для подсчета инерционности данной модификации необходимо получить значение тока на якоре двигателя, в момент установившегося движения. В результате поставленного эксперимента было получено приблизительное значение тока, равное 0,3А, при напряжении 27В. Проведем подсчет инерционности данной модификации двух двигателей методом свободного выбега:
Рассчитаем КПД двигателя:
Заключение. В результате данной работы по исследованию «тандемной» модификации двигателей постоянного тока, целью которого являлось обоснование уместности такой компоновки двух ДПТ, было выяснено, что данная модификацию обладает удобными, для монтажа на роботизированную систему габаритами, имеет низкий маховый момент, что дает высокую точность отработки воздействий. Благодаря этим преимуществам, такая схема пользуется популярностью. Далее, для данной модификации двигателей будет создана система управления, для дальнейшего использования на манипуляторе.
Список литературы
1.
Гайдук А.Р., БеляевВ.Е.,
Пьявченко Т.А. Теория автоматического управления в примерах и задачах
с решениями в MATLAB: Учебное пособие.
2-е изд., испр. — СПб.: Издательство «Лань», 2011.— 464 с.
2.
Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе: материалы
региональной научно-технической конференции,
18–20 апреля 2017 г. Т. 1. – Калуга: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. –
301 с.
3. Сост. А.П. Желтоногов, Л.Б. Иванов определение момента инерции электропривода методом свободного выбега: Методические указания к лабораторной работе // Волгоград. гос. техн. ун-т. – Волгоград, 2001. – 19 с.
4.
Работа двух двигателей на один вал [Электронный ресурс]. URL: http://h4e.ru/elektricheskie- mashini/136-rabota-dvukh-elektrodvigatelej-na-odin-val
5.
Сергеев, А. С. Основы автоматизированного электропривода: учеб. пособие / А. С. Сергеев, А. М. Макаров, Ю. П. Сердобинцев; Волг ГТУ. – Волгоград, 2013.– 114 с.
6.
Типы двигателей используемые в робототехнике [Электронный ресурс]. URL: http://www.robolive.ru/ node/post.php?id=26
