Исполнительные элементы в САУ

Классификация исполнительных элементов

Силовыми исполнительными элементами САУ в сварке являются различные типы приводов. В них используются практически все многочисленные разновидности электрических, гидравлических и пневматических двигателей. Ко всем типам двигателей в САУ предъявляются специфические требования:

- минимальный вес;

- минимальные габариты;

- повышенные энергетические характеристики;

- повышенные статические параметры;

- повышенные динамические характеристики;

- легкость регулирования в большом диапазоне скоростей;

- реверсивность;

- большой ресурс работы;

- плавность движений.

Наиболее удобны в эксплуатации электродвигатели, так как пневматические и гидравлические имеют склонность к утечкам рабочего тела и требуют промежуточного энергоносителя (жидкости или газа), легко регулируются по скорости и проще других в цеховой эксплуатации.

Важно, что с ними легче создавать замкнутые следящие приводы. Однако до последнего времени были трудности удовлетворения этим требованиям для электрических приводов малых и больших мощностей.

В связи с этим электропривод применялся главным образом для средних мощностей, для малых использовались в основном пневматические приводы, а для больших - гидравлические (электрогидравлические).

Пневмоприводы

Типовая схема пневмопривода с цикловой системой управления представлена на рис.2.2.13.

Рис.2.2.13. Схема пневмопривода:
а - цикловая система управления;
б - поршневой пневмодвигатель

Здесь показан привод одной степени подвижности из общей системы цикловой системы управления приводами.

Входной штуцер 1, вентиль 2, влагоотделитель 3 и редукционный пневмоклапан 4 с измерителем 5 служат для подготовки сжатого воздуха с нужными параметрами чистоты и давления. Маслораспылитель 6 необходим для смазки подвижных частей исполнительного пневмодвигателя 8 и распределителей 7. Последние служат для открытия и закрытия доступа сжатого воздуха по заданной программе в рабочие полости исполнительных пневмодвигателей. Распределители могут управляться от электромагнитов или же специальной пневмоавтоматикой.

Исполнительные пневмодвигатели, в данном случае - это цилиндры с прямолинейным движением поршня. Для каждой степени подвижности пневмодвигатели реализуют соответствующие перемещения, скорости и ускорения. Подача воздуха в рабочую полость цилиндра идет через один распределитель, а выход воздуха из нерабочей полости - через другой.

Скорость движения пневмодвигателя может регулироваться путем изменения расхода воздуха на входе и выходе с помощью пневматического дросселя с изменяемым проходным сечением.

Пневмодвигатель дает большую скорость движения выходному звену. При цикловом управлении оно движется от упора до упора с максимальной скоростью. Для исключения резкого удара в конце предусматриваются средства торможения. Это достигается либо за счет сжимания воздуха, либо установкой внешних демпферов различных конструкций.

Крайние положения входного звена при цикловом управлении могут устанавливаться путем перестановки упоров на позиции, необходимые для выполнения заданного технологического процесса.

В случае необходимости иметь несколько точек позиционирования, выполняют несколько выходных отверстий в атмосферу. Причем открывается одно из них. Поршень остановится тогда, когда своим телом перекроет это отверстие.

Сейчас появились следящие пневмоприводы. Приводы, построенные на базе пневматических силовых цилиндров, по устройству наиболее просты. Они могут быть связаны с механизмами для поступательных движений непосредственно, а для вращательных движений - через простые передачи.

Гидравлические приводы

Электрогидравлические приводы применяются в основном двух классов:

- дроссельного управления:

- объемного управления.

Дроссельное управление различается на управление:

- с гидронасосом постоянной подачи;

- с гидронасосом переменной подачи.

Двигатель в гидравлическом приводе может быть:

- гидроцилиндром;

- гидромотором.

Гидронасос постоянной подачи значительно дешевле, чем переменной, однако энергетические характеристики привода дроссельного управления с гидронасосом постоянной подачи хуже из-за больших непроизводительных потерь именно вследствие постоянного нагнетания насосом жидкости высокого давления даже при уменьшениях нужды потребителей в ней. Происходит обратный слив части жидкости и превращение части потенциальной энергии в тепловую, требуется охлаждение.

Этих недостатков нет у привода дроссельного управления с гидронасосом переменной подачи. Вследствие этого гидроприводы дроссельного управления с гидронасосом постоянной подачи применяются для меньшей грузоподъемности (десятки килограмм), а с гидронасосом переменной подачи - в основном для работ большой и сверхбольшой грузоподъемности.

Схема гидропривода дроссельного управления с гидронасосом переменной подачи показана на рис.2.2.14.

Рабочая жидкость забирается из бака 1 через заборный фильтр 2 с помощью гидронасоса переменной подачи 3. Там имеется электродвигатель 5 и регулятор подачи насоса 4. Затем жидкость проходит фильтр тонкой очистки 6. Пневмогидравлический аккумулятор 7 служит для стабилизации давления в нагнетающей магистрали при резких его изменениях (подключение, отключение потребителей).

Рис.2.2.14. Гидравлический привод дроссельного
управления

Гидродвигатель состоит из золотникового распределителя (8,10) и силового гидроцилиндра 9 или же гидромотора 11. Дросселирование потоков жидкости достигается путем изменения проходных сечений золотникового распределителя. Проходное сечение зависит от положения кромки золотника относительно проточки золотниковой втулки. Величиной проходного сечения, т.е. смещением золотника, определяется скорость перемещения гидродвигателя.

Представляют интерес для применения в промышленных роботах также гидроприводы объемного управления. Они имеют лучшие энергетические и нагрузочные характеристики, чем окупается их более высокая стоимость. Они применяются еще редко, но перспективы для роботов большой и сверхбольшой грузоподъемности.

Электрические приводы

Электрические приводы наиболее удобны в эксплуатации, регулируются в широких пределах, легко стабилизируются и имеют хорошие характеристики.

В исполнительном устройстве применяют различные типы электродвигателей.

Электродвигатели постоянного тока подразделяются на двигатели с электромагнитным возбуждением и с возбуждением от постоянных магнитов.

Электромагнитное возбуждение может быть независимым, последовательным или смешанным.

В САР, роботах требуется регулирование скорости вращения в широком диапазоне. Наиболее перспективны для этого двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Они отличаются меньшей инерционностью и КПД. Такие электродвигатели могут быть коллекторными и бесконтактными. Последние обладают большей надежностью ввиду отсутствия трущихся о коллектор щеток.

На рис.2.2.15 приведены примеры схем двигателей постоянного тока с регулированием скорости вращения.

Рис.2.2.15. Схемы электродвигателей постоянного тока:
а - управление по току возбуждения и напряжению якоря;
б - возбуждение от постоянных магнитов

Скорость вращения w_дв и момент М_дв электродвигателя зависит от напряжения в цепи якоря U_як и тока в обмотке возбуждения i_в (рис.2.2.16).

Благодаря достаточно высокой коэрцитивной силе постоянных магнитов сейчас существенно повышена мощность электродвигателей с постоянным магнитом. При этом значительно уменьшилась масса якорей, что снизило инерционность и повысило быстродействие.

Рис.2.2.16. Характеристики электродвигателей:
а - управление по напряжению на якоре;
б - управление по току в обмотке возбуждения

В последнее время чаще всего используется тиристорное управление с помощью вентильных тиристорных преобразователей. Применение вентильных преобразователей для управления скоростью и реверсом электродвигателей постоянного тока привело к созданию бесконтактных двигателей. Вместо коллектора со щетками применяется полупроводниковая схема. Тиристорное управление широко используется также и при управлении коллекторными двигателями, где они имеют преимущество перед другими способами управления.

Электродвигатели переменного тока широко применяются в системах автоматического управления. Они подразделяются на синхронные и асинхронные.

Синхронные электродвигатели, позволяют регулировать скорость вращения путем изменения частоты питающего напряжения; распространение получили небольшое.

Асинхронные электродвигатели могут быть двухфазными и трехфазными. Обмотка возбуждения (ОВ) двухфазного асинхронного двигателя питается от сети переменного тока (рис.2.2.17,а).

В обмотку управления (ОУ) поступает изменяемое напряжение U_у, оно имеет сдвиг по фазе на 90°.

Асинхронные двигатели переменного тока, особенно трехфазные, имеют меньшую массу и габариты по сравнению с двигателями постоянного тока при одинаковой мощности. Они значительно надежнее. Но для питания и управления этими двигателями необходимы преобразователи напряжения.

Шаговые электродвигатели не требуют применения датчиков обратной связи для регулирования положения благодаря их специальной конструкции. Они широко применяются в САУ.

Рис.2.2.17. Схемы электродвигателей переменного тока:
а - двухфазного асинхронного электродвигателя;
б - высокочастотного пьезодвигателя

Линейные электродвигатели позволяют непосредственно обеспечить поступательное перемещение. На основе их применяются многокоординатные приводы.

Высокочастотные пьезодвигатели широко начинают применяться в роботах и в САУ. Это новый вид электродвигателей. Существует много их разновидностей как для поступательных, так и для вращательных перемещений с микронными точностями и с большим диапазоном регулирования скорости.

Вибрационные пьезодвигетели основаны на преобразовании высокочастотных упругих колебаний звеньев в виде стоячих и бегущих волн.

Колебания имеют очень малые амплитуды в ультразвуковом диапазоне (рис.2.2.17,б).

К подвижному звену 4 с помощью упругих элементов 2 и 3 (с жесткостью С1>>С2) прижат вибропреобразователь 1. Преобразователь запитывается от блока управления 6. На блок управления идет обратная связь через задающий генератор 5 о характере движения через датчики 7, 8 и 9 (положение, скорость и мощность).

Такие пьезодвигетели могут иметь несколько степеней подвижности для твердых звеньев. Если применять эластичные звенья из пьезоматериалов, то можно получить гибкие приводы.

Для крутильных колебаний пьезоэлемента возможно построение двигателя с непосредственным поворотом на заданное положение.