Мехатронные модули вращательного движения на базе

Высокомоментных двигателей

Следующим шагом в развитии приводной техники стало появление высокомоментных двигателей вращательного движения, применение которых позволило вообще исключить механический редуктор из состава электроприводов постоянного тока, работающих на низких скоростях.

Высокомоментными называются двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов и электронной коммутацией обмоток, которые допускают многократную перегрузку по моменту. Для определения положения полюсов на роторе вентильного ВМД устанавливают дополнительные технические средства (например, датчики Холла, индуктивные и фотоэлектрические датчики). Обычно высокомоментные двигатели (ВМД) устойчиво работают на частотах вращения 0.1-1 1/мин, которые типичны для металлорежущих станов и промышленных роботов.

Основные преимущества ВМД определяются отсутствием в приводе редуктора:

- снижение материалоемкости, компактность и модульность конструкции;

- повышенные точностные характеристики привода благодаря отсутствию зазоров;

- исключение трения в механической трансмиссии позволяет существенно уменьшить погрешности позиционирования и нелинейные динамические эффекты на ползучих скоростях;

- повышение резонансной частоты.

ВМД выпускаются в настоящее время коллекторного и вентильного (иногда используется термин «безщеточного», либо «бесконтактного») типов.

Основные преимущества вентильных двигателей по сравнению с коллекторными:

- высокая надежность, большой срок службы, минимальные затраты на обслуживание  (вследствие исключения искрения и износа щеток);

- улучшенные тепловые характеристики (так как тепло рассеивается на обмотках статора, а на роторе тепловыделяющие элементы отсутствуют), отсюда возможность использования проводов малого сечения;

- высокое быстродействие за счет высокого соотношения развиваемый момент/ момент инерции ротора;

- большая перегрузочная способность по моменту (типично Ммах/Мно,, = 8) в широком диапазоне регулирования скорости;

- близкие к линейным механические и регулировочные характеристики.

По сравнению с синхронными двигателями вентильные ВМД позволяют регулировать скорость вращения с помощью обратной связи, частота вращения не зависит от напряжения питания, нет проблемы выпадения из синхронизма.

Основной недостаток вентильных двигателей - наличие дорогостоящих магнитов и блока управления коммутацией обмоток, отсюда пониженный показатель мощность/цена и повышенные габариты. В современных модификациях эта проблема решается путем построения этих блоков на базе относительно дешевых интегральных микросхем.

В состав современных мехатронных модулях движения на основе ВМД обязательно входят также датчики обратной связи и иногда управляемые тормоза, что позволяет отнести такие ММД ко второму поколению. В качестве датчиков наиболее часто применяются фотоимпульсные датчики (инкодеры), тахогенераторы, резольверы и кодовые датчики положения. Принципиально важно, что модуль "двигатель-датчик" имеет единый вал, что позволяет сочетать высокие технические параметры и низкую стоимость.

Также модули данного типа могут применяться в нетрадиционных транспортных средствах: электромобилях, электровелосипедах, инвалидных колясках и т.п.

Использование вентильных двигателей (ВМД) позволяет заменить традиционную пару двигатель-механический преобразователь одним высокомоментным двигателем, исключив таким образом избыточный преобразователь. Пример мехатронного модуля движения на базе ВМД показан на рис.3.17. ВМД применяется здесь для вращения пово­ротного стола, который предназначен для позиционирования деталей при обработке на фрезерных, сверлильных и расточных станках.

Рис.3.17 Поворотный стол на базе высокомоментного двигателя:

1 – основание; 2 – поворотный стол; 3 – упорные подшипники; 4 – электродвигатель; 5 – ротор; 6 – планшайба; 7 – датчик положения; 8 – датчик скорости; 9 – гидротормоз.

Модуль состоит из основания 1 и собственно поворотного стола 2, опирающегося на упорные подшипники 3, встроенного электродвигателя 4, ротор 5 которого скреплен с планшайбой б, датчика положения 7, датчи­ка скорости 8 и гидротормоза 9, обеспечивающего фиксацию планшайбы в нужном положении. Безредукторное совмещение ротора электродвигателя и планшайбы позволяет полностью исключить люфт, увеличить точность позициони­рования стола и расширить его технологические возможности. При этом упрощается конструкция стола, уменьшается число деталей, повышается жесткость.

Группой "Мехатроника" в Санкт-Петербурге освоено производство мехатронных поворотных столов серии ПМС диаметром 200-1250 мм, с точностью позиционирования до 3", максимальной частотой вращения до 12 мин^-1, максимальным моментом до 2500 Н·м.

       Расстояние между компьютером верхнего уровня управле­ния и контроллерами интеллектуальных модулей может достигать не­скольких сотен метров. Обмен информацией и управляющими команда­ми между этими устройствами осуществляется через высокоскоростную компьютерную сеть.

Мехатронный модуль движения (ММД) - конструктивно и функционально самостоятельное изделие, включающее в себя механическую электрическую (электромеханическую) и информационную части которое можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими модулями. По сравнению с МД в состав мехатронного модуля движения входит встроенное информационное уст­ройство. Информационное устройство включает датчики обратной связи и информации, а также электронные блоки для обработки и преобразования сигналов. Примерами таких датчиков являются фото­импульсные датчики (энкодеры), дающие информацию о скорости дви­жения и угловом перемещении, оптические линейки, вращающиеся трансформаторы и т.д.

ММД состоит из следующих частей:

Электродвигатель – электротехнический преобразователь электрической энергии в механическую.

Механический преобразователь – устройство, преобразующее параметры движения двигателя в требуемые параметры выходного звена.

В состав механического преобразователя входят:

Преобразователь движения (передача) – механизм, предназначенный для преобразования одного вида движения в другое, согласования скоростей и вращающих моментов двигателя и выходного звена мехатронного модуля.

Тормозное устройство – устройство, предназначенное для уменьшения скорости подвижного звена, останова и удержания его в неподвижном состоянии (может отсутствовать).

Люфтовыбирающий механизм – устройство, предназначенное для выборки зазора (мертвого хода) в некоторых видах преобразователей движения (может отсутствовать).

Информационное устройство – устройство, преобразующее контролируемую величину в сигнал, удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации, а также воздействия им на управляемые процессы.

Мехатронные модули движения (ММД) являются функциональными “кубиками”, из которых затем можно компоновать сложные мехатронные системы.

При этом главным признаком, отличающим ММД от общепромышленного электропривода, является введение электродвигателя в узел машины: электрошпиндель, мотор-шпиндель, электромеханизм линейного перемещения инструментов головки, поворотный глобусный или координатный стол, мотор-колесо и т.п.

Основную номенклатуру ММД, на основе которых в настоящее время создаются производственные машины и транспортные средства нового поколения, можно подразделить на четыре группы:

1. Высокооборотные модули с максимальной частотой вращения от 9 000 до 250 000 мин^-1 и мощностью от 0,1 до 30 кВт для металлорежущих станков, деревообрабатывающих машин, станков для сверления печатных плат, компрессоров и т.д. В этих модулях используются воздушные и электромагнитные подшипники. Основные преимущества выпускаемых электрошпинделей на магнитных подшипниках:

- отсутствие механических контактов и, как следствие, износа;

- возможность использования более высоких (по сравнению с традиционными конструкциями) скоростей;

- небольшая вибрация, отсутствие трения и снижение тепловых потерь;

- возможность изменения жесткости и демпфирующих характеристик системы;

- возможность работы в вакууме и вредных средах;

- экологическая чистота.

2. Низкооборотные модули с максимальной частотой вращения от 4 до 300 мин^-1, моментом от 10 до 2500 Η·м и точностью позиционирования до 3" для поворотных столов станков, измерительных машин, оборудования для электронного машиностроения, узлов роботов и многоцелевых инструментальных головок.

3. Модули линейного движения с усилием от 10 до 5000 Η и скоростью до 32 м/с для приводов металлорежущих станков, промышленных роботов и измерительных машин, а также для запирающих устройств газо- и нефтепроводов.

4. Цифровые электроприводы с бесколлекторными синхронным и асинхронным двигателями мощностью до 10 кВт с моментом от 1 до 40 Η·м и высоким отношением момента к массе для приводов подачи высокопроизводительных станков и роботов, текстильных и деревообрабатывающих машин, приводов вентиляторов, насосов и т.д. Блок управления такими приводами создается на базе силовых интеллектуальных схем и встраивается в корпус или клеммную коробку электродвигателя.

Еще большие возможности применения ММД имеют машины нетрадиционной компоновки: обрабатывающие и измерительные машины на основе так называемой платформы Стюарта и мехатронных поворотных столов.

Главной особенностью современного этапа развития мехатронных модулей является интеллектуализация процессов управления их функциональными движениями. По сути речь идет о разработке принципиально нового поколения модулей, в которых осуществлена интеграция всех трех компонент - электромеханической, электронной и компьютерной.