|
|
Энергоносителем в этом приводе
служит жидкость, посредством которой обеспечиваются передача энергии и ее
преобразование в механическую энергию выходных звеньев гидродвигателей,
приводящих в движение исполнительные звенья манипулятора
Гидропривод работает при давлениях рабочей жидкости в
системе до 20 МПа, его применяют в роботах с грузоподъемностью более 20 кг и выполняют в виде следящего привода с позиционной или контурной системами управления. В
качестве рабочих жидкостей используются минеральные масла, которые, помимо
основного назначения, обеспечивают смазку движущихся элементов гидросистемы.
В случаях, представляющих особую пожароопасность, в качестве рабочей
жидкости используют невоспламеняемые смеси, например,
двухатомный спирт с водой. При повышенных рабочих температурах, например, в
металлургических цехах, применяют сложные эфиры фосфорной или кремниевой
кислот.
Благодаря таким важным преимуществам, как высокая удельная
мощность при малых удельных массе и объеме, высокий КПД, надежность, простота
автоматизации управления и удобство реализации следящего привода, гидропривод
нашел широкое применение в робототехнике.
К гидроприводу роботов предъявляют специфические
требования: а) малые вес и габаритные размеры для удобства размещения
непосредственно на движущихся звеньях манипулятора, б) ограничение длины
трубопровода гидросистемы для повышения быстродействия, в) отсутствие
внутренних и наружных утечек жидкости, которые могут привести к снижению
эффективности управления приводом, г) исключение опасности нарушения
герметичности соединений и шлангов, находящихся под высоким давлением рабочей
жидкости и перемещающихся вместе с подвижными звеньями или самим роботом.
В целом гидропривод состоит из насосной станции,
гидродвигателя, аккумуляторов, регулирующей, распределительной и
вспомогательной аппаратуры. По виду движения выходного звена различают
гидроприводы поступательного и вращательного движения. В первом случае
используют гидроцилиндры, имеющие преимущество непосредственной передачи
поступательного движения на исполнительное звено манипулятора, а также
обладающие малой инерционностью, что обеспечивает высокие динамические
характеристики. Во втором случае применяют гидромоторы, отличающиеся большим
отношением крутящего момента на выходном валу к моменту инерции ротора, что
позволяет получить весьма малое время реверса, высокое быстродействие и малое
запаздывание при обработке командного сигнала.
Гидравлические цилиндры являются аналогами
пневмоцилиндров, хотя значительно меньше их по размерам и массе при равной
мощности, и конструктивно выполняются в виде гидро- цилиндров двухстороннего
( 7.4, а) или одностороннего действия ( 7.46). Последние обычно имеют
плунжерную конструкцию с одной камерой, а обратный ход плунжера
обеспечивается дополнительной внешней силой, например пружиной.
Для получения вращательного движения с неограниченным по углу
вращением используют аксиально-поршневые, радиально- поршневые, шестеренчатые
и лопастные гидромоторы, которые являются обратимыми, т.е. могут
функционировать и в качестве насоса (мотор-насосы). Схема одного их них -
гидравлического лопастного мотор-насоса - показана на 7.5. - В этой
конструкции внутри цилиндрического корпуса 1 эксцентрично рамещен ротор 2, в
пазах которого установлен ряд подпружиненных лопастей 3, образующих камеру 4
переменного сечения. Рабочая жидкость, поступающая во входное отверстие 5, не
в состоянии пройти через минимальное сечение камеры, где ротор вплотную
подходит к поверхности корпуса, и устремляется к выходному отверстию 6 через
большее сечение камеры, воздействует на лопасти и вращает ротор.
Однако во многих случаях в модулях движения требуется
вращение с ограниченной амплитудой, поэтому широкое применение для
гидроприводов роботов получили неполноповоротные гидродвигатели. При этом
используются два конструктивных типа гидродвигателей углового перемещения: 1)
гидроцилиндры с преобразованием поступательного движения во вращательное с
помощью различных устройств, 2) неполноповоротные лопастные гидроцилиндры.
В гидродвигателях первого типа используются
различные устройства для преобразования движения - зубчато-реечные механизмы,
аналогичные рассмотренному выше поворотному пневмоцилиндру кривошипные,
рычажные. Предпочтительны для применения в приводах модулей движения роботов,
благодаря высокой удельной мощности и непосредственному воздействию на сочленения,
гидродвигатели второго типа - неполноповоротные лопастные ( 7.6), именуемые
гидроквадрантами (или квадрантами). Вал 1 гидродвигателя с лопастью 2
поворачивается в корпусе 3 в ту или иную сторону при поступлении рабочей
жидкости под давлением от распределительного устройства 4 в соответствующую
полость. Угол поворота вала ограничен размерами неподвижной пластины -
перегородки 5. Хотя инерционность и силы трения в таких устройствах намного
меньше, чем у гидроцилиндров с преобразованием движения, гидроквадранты более
сложны в изготовлении, особенно из-за трудностей надежной герметизации.
Гидросистемы в зависимости от построения могут быть с
открытой (жидкость поступает в бак) и закрытой (жидкость поступает во
всасывающую линию) циркуляцией. Применение гидропривода с конкретным типом
циркуляции жидкости зависит от температурных условий работы. Более
благоприятный температурный режим обеспечивает открытая циркуляция. В
зависимости от способа управления гидравлические приводы могут быть двух
видов - с дроссельным и объемным управлением.
В гидроприводах дроссельного управления интенсивность
потока рабочей жидкости, а следовательно, положения и скорости силовых
элементов гидродвигателей регулируются дроссельными золотниковыми
устройствами путем изменения проходных сечений. Такой способ управления более
прост и дешев по сравнению с объемным, однако имеет пониженный КПД, худшие
энергетические и нагрузочные характеристики. В свою очередь, дроссельные
гидроприводы могут выполняться с гидронасосами постоянной и переменной подач.
Гидронасос постоянной подачи значительно дешевле, чем
переменной, но энергетические показатели такого управления существенно хуже
из-за непроизводительных перекачек жидкости под рабочим давлением независимо
от режимов работы манипулятора.
Дроссельный гидропривод переменной подачи, несмотря на
большую стоимость, более экономичен, обладает лучшими энергетическими
характеристиками. Поэтому гидроприводы дроссельного управления с гидронасосом
постоянной подачи применяются в роботах меньшей грузоподъемности (десятки
килограммов), а с гидронасосом переменной подачи - главным образом для
тяжелых и сверхтяжелых роботов (сотни килограммов).
В гидроприводах объемного управления интенсивность потока
рабочей жидкости регулируется с помощью изменения подачи самим насосом по соответствующим
командам управления, для чего насос оборудуется специальными устройствами.
При объемном управлении достигаются более высокие энергетические и
нагрузочные характеристики гидроприводов, но стоимость его значительно выше,
и при безусловной перспективности объемного управления, особенно для тяжелых
и сверхтяжелых роботов, применяются такие гидроприводы сравнительно редко.
Схема гидравлического привода объемного управления.
Рабочая жидкость из закрытого гидробака 1 насосом постоянной подпитки 2 через
фильтр 3 закачивается в магистраль низкого давления 4, подпитывающую всю
гидросистему через клапаны 5.Реверсивный насос 6 объемного регулирования,
приводимый во вращение электродвигателем 7, управляется микроприводом
дроссельного регулирования 8 со своим золотниковым рапредели- телем 9. Таким
образом, подача насоса в магистраль высокого давления 10 для приведения в
действие гидроцилиндра 11 или гидромотора 12 регулируется специальным
микроприводом. Предохранительные клапаны 13 служат для предотвращения
чрезмерных перегрузок гидросистемы в магистрали высокого давления. В схеме
гидропривода с объемным регулированием каждый гидродвигатель (11 или 12)
оборудуется собственной регулирующей системой, включающей гидронасос с
переменным потоком, управляемый микроприводом со своим золотниковым
распределителем, что дополнительно усложняет и удорожает такой гидропривод.
Устройство и принцип работы гидропривода непосредственно в
системе промышленного робота рассмотрен на примере модуля поступательного
движения ( 7.9).
Рабочая жидкость из гидробака 1 через фильтр 2 с помощью
насоса постоянной подачи 3, приводимого во вращение электродвигателем 4,
подается в напорную магистраль 5, где установлен пневмогидро- аккумулятор
£>, необходимый для стабилизации давления и подпитки системы при
падении давления, контролируемого манометром 7. Электрогидравлическое
распределительное устройство 8 с усилителем 9 обеспечивает направление
рабочей жидкости в соответствующие полости I или П гидродвигателя
(гидроцилиндра или гидромотора) 10, выходное звено которого (шток или вал) 11
выполняет работу, перемещая исполнительное звено манипулятора с рабочим
органом 12. Управление скоростью рабочего органа осуществляется с помощью
регулируемого дросселя 13 путем изменения количества жидкости, проходящей
через гидродвигатель в единицу времени. При питании нескольких модулей
движения от одной гидростанции дроссель устанавливается на каждом модуле. Для
предупреждения системы от чрезмерных давлений в магистрали установлен
предохранительный клапан 14, перепускающий рабочую жидкость обратно в бак. В
гидросистеме предусмотрен специальный кран 15, позволяющий при необходимости
остановить работу привода. Для торможения, учитывая свойство малой
сжимаемости жидкостей, используется гидравлическая фиксация гидродвигателей,
для точного позиционирования - различного вида упоры и гидравлические
демпфирующие устройства.
|