Ipari robotok hajtása

IPARI ROBOTOK

Ipari robotok hajtása 4. előadás Dr. Pintér József

Ipari robotok hajtása A hajtási rendszerek feladata az, hogy a robot „TCP” pontját az előírt pontossággal - az irányítórendszer utasításainak megfelelően –az előírt pályán mozgassa, illetve a megadott pozícióba juttassa. A roboton alkalmazott hajtás rendszerek száma megegyezik a robotmechanika szabadságfokainak számával. A hajtási rendszerek megvalósíthatnak lineáris és forgó mozgást.

Ipari robotok hajtása Robot hajtások a robotok, illetve azok egységei ("izületei") mozgatását teszik lehetővé. Az írányítás hatáslánca alapján lehet: ¾ Zárt, vagy ¾ Nyitott A visszacsatolás jellegétől függően: Pontvezérlés (point to point = PPT control) Pályavezérlés (continous path = CP control)

Ipari robotok hajtása A robot egymáshoz képest elmozduló egységeit

tengelyeknek nevezik. Minden robot tengelynek külön hajtása van, ennek elemei: ¾ Motor/tápegység, hajtómű, mozgás átalakító, vezérlő/szabályozó egység. Megjegyzés: A megfogó szerkezeteknek általában szintén külön hajtásláncuk van.

Ipari robotok hajtása A hajtások legjellemzőbb paraméterei: ¾Elmozdulás (löket) vagy elfordulás mértéke ¾Húzó- ill. nyomóerő, vagy forgatónyomaték ¾Sebesség, szögsebesség ¾Gyorsulás, szöggyorsulás ¾Beállási pontosság.

Ipari robotok hajtása Energia ellátás szempontjából megkülönböztetnek: Pneumatikus, Hidraulikus, Villamos hajtáslánc rendszereket (ezek kombinációja is gyakori!) Értékelésük robottechnikai szempontból: HAJTÁSOK ÉRTÉKELÉSE TELJESÍTMÉNY/TÖMEG SZERINT

P/m (kW/kg)

Villamos

Pneumatikus

Hidraulikus

0,02…0,1

0,2…0,3

0,6…0,8

Ipari robotok hajtása Pneumatikus hajtások A hajtóelemek sebesség szabályozása, pozicionálása elektromágnesen fékkel történik. Előnyök: ¾préslevegő hálózat általában adott ¾kedvező telj./súly arány ¾kevés karbantartást igényel ¾robbanásbiztos ¾olcsóbb (hidraulikus hengerekhez viszonyítva ) ¾hosszú élettartam ¾vezetékek kis helyet foglalnak ¾nem kell visszavezetés a tápegységbe

Ipari robotok hajtása

Pneumatikus hajtások hátrányai korlátozott erő/nyomaték jelentős zaj nagy fékkopás kis poziciónálási pontosság szabványos munkahengerek csak két véghelyzetben tudnak megállni nyomásveszteség

Ipari robotok hajtása Pneumatikus hajtások Minden mozgástengely rögzítésére külön féket kell beépíteni! Elsődleges feladat: a Vezérlő csavar karok, csuklók rögzítése a súlyerő ellenében. Vészleállások esetén: azonnali mozgásleállítás, karrögzítés! Munkahenger állíthatósága: fojtó visszacsapó szeleppel (egyik irányba fojt)

Ipari robotok hajtása Pneumatikus hajtások A pneumatikus hengerek önmagukban pontos pozícionálásra nem képesek, de lineáris útmérővel ill. elfordulásmérővel kiegészítve olcsó, kis karbantartásigényű hajtások épültek belőlük. Munkahengereket a világon számtalan cég gyárt, szinte minden méretben, széles nyomatékskálán, kedvező áron beszerezhetők. ) Háttérbe szorulnak.

Ipari robotok hajtása Hidraulikus hajtások Mind egyenes vonalú, mind forgó mozgást lehet létesíteni hidraulikus hajtóművel. Előnyök: nagy erőkifejtésre képes A hidraulika olaj összenyomhatatlan telj./súly aránya a legkedvezőbb, fokozat nélküli sebességszabályozást biztosít, nem kell mozgásátalakító, közvetlenül beépíthető, mivel a fordulatszámuk megfelel a robotkar fordulatszámának, rögzitő féket nem igényel,

Ipari robotok hajtása Üzemi nyomás akár 200 bar is lehet ) nagy teherbírású robotoknál használják elsősorban

Hidraulikus hajtások Hátrányok:

¾hidraulikus tápegység szükséges ¾az olaj melegedése viszkozitás változást okoz ¾ hőmérsékletfüggő pozicionálási pontosság ¾ jelentős zaj ¾(gyakran "tömítetlenség!?") ¾robbanás- tűzveszély

Ipari robotok hajtása Hidraulikus hajtások Hidraulikus szivattyú fajták


Villamos hajtások Napjaink ipari robotjaiban a villamos hajtások az uralkodóak. A robotok által támasztott követelmények: Kis súly: A motorok a karokkal együtt mozognak, fontos a tömegük. Kisebb súlyú motort könnyebb gyorsítani, lassítani, megtartani. Nagy nyomaték: a nagy nyomaték fontos, így a kar a teljes terheléstartományban azonos dinamikával kezelhető. A pozícionálás is könnyebben hajtható vége, ha van elég nyomaték. Jó hűtés: Mivel sok indulást, fékezést kell a motornak teljesíteni, gyakran nagy az áramfelvétel. A termelődő hőt gyorsan le kell adni. Széles fordulatszám-tartomány: A motorok kimenetén nagyon ritkán található állítható áttételű hajtómű (tömegcsökkentés). Mivel a kar mozgatási sebessége tág határok között programozható, a motornak széles fordulatszám-tartományban kell stabil nyomatékot szolgáltatnia.

Ipari robotok hajtása Villamos hajtások Előnyei: ¾könnyen hozzáférhető ¾fokozat nélküli hajtást tesz lehetővé ¾holtidő mentes ¾egyszerű, kevés karbantartást igénylő megoldás ¾zajmentes ¾megbízható ¾mikrovezérlővel (µP) vezérelhető 15

Ipari robotok hajtása Villamos hajtások Hátrányai: ¾ bonyolult ¾ nagy fordulatszám (lassító áttétel szükséges) ¾ álló helyzetben nem tudnak hosszú ideig jelentős nyomatékot kifejteni ¾ külön fékeket kell alkalmazni ¾ nagy nyomatékigénynél redukáló hajtóművet kell használni hullámhajtóművek (1/200) csigahajtás (1/40;1/60) 16

Ipari robotok hajtása Villamos hajtások A robottechnikában az AC motor elterjedtebb, mint a DC motor. Robottechnikában alkalmazott motorok: Léptető motor (nem bírja a túlterhelést) Egyenáramú állandó (permanens) mágnesű szervomotor (DC motor) Elektronikus hajtású kefe nélküli (brushless) motor

Ipari robotok hajtása Villamos hajtások

a) Léptető motor

b) Szervo motor

Ipari robotok hajtása Villamos hajtások Tárcsamotorok 1. Robothajtásokban gyakoriak A forgórész vékony szigetelőtárcsa, amely műanyag vagy kerámia alapú tárcsa, és ennek homlokfelületére van ragasztva a tekercselés (rézlemezből készül). Axiális mérete meglehetősen kicsi. A vezetők radiális elhelyezése miatti jó hővezetés következtében rövid ideig igen nagy áramtúlterhelés lehetséges. A motor fordulatszámát a terhelő nyomaték és a kapocsfeszültség határozza meg. A nyomaték a fordulatszám növelésekor lineárisan csökken (konstans armatúraáramnál).

Ipari robotok hajtása Villamos hajtások Tárcsamotorok 2. Jellemzői: nincs gerjesztőtekercs, a gerjesztést permanens mágnes biztosítja kis forgórész-inercia, nagy szöggyorsulás nagy indítónyomaték. A motor dinamikai tulajdonságai kedvezőek, de illesztése bonyolultabb, mint a léptetőmotoroké, a kommutátor és a kefe miatt kényesebbek.

Ipari robotok hajtása Villamos hajtások Léptetőmotor (steppers) 1. A léptetőmotor olyan, többfázisú, sokpólusú villamos motor, melynél a tekercseket adott sorrendben gerjesztve, a tengely kis szögelfordulást végez, és ott rögzítve megáll. Ezt nevezzük lépésnek. Ha a motort gyorsan léptetjük, szinte sima forgómozgást kapunk. Egy teljes fordulatot akár 1000 lépésre is oszthatnak.

Ipari robotok hajtása Villamos hajtások Léptetőmotor (steppers) 2. Főbb típusai : ¾állandó mágneses ¾változó reluktanciájú ¾hibrid léptetőmotor Előnyei: ¾kis költség ¾robosztusság ¾egyszerű felépítés ¾nincs karbantartás

változó mágneses tér

¾nagy megbízhatóság ¾széles alkalmazhatóság ¾nem igényel visszacsatolást ¾mindenütt működőképes

Ipari robotok hajtása Villamos hajtások Léptetőmotor (steppers) 3. Hátrányai: ¾ rezonancia gerjesztő hatás hosszabb beállási idő (settling time) ¾ kis sebességnél durva mozgás ¾ túlmelegedhet ¾ nagyobb sebességen zajos lehet ¾ reconancia-hajlama és pozícionálási hibái inerciaterhelésfüggők

Ipari robotok hajtása Villamos hajtások

Szinkron szervomotor Jellemzői: ¾állandó mágneses ¾szinkronmezős ¾3-fázisú ¾nagy frekvenciatartományú ¾U≠áll. ¾f ≠áll. ¾nem eshet kis a szinkronizmusból ¾bármely ω szögsebesség, α tengelyszög és nyomaték beállítható ¾szöghelyzetpontosság álló tehertartásnál nagyobb, mint 0,01o 24

Villamos hajtások


A robottechnikában az AC motor elterjedtebb, mint a DC motor.

¾AC (Alternate Current

váltakozó áram)

állórész forgórész

Működése:

25

Ipari robotok hajtása Villamos hajtások ¾DC (Direct Current)

26

Ipari robotok hajtása Mozgásátalakítók A hajtóművek feladata a mozgásátalakítás, ennek célja kettős: ¾Fordulatszám illesztés, azaz a motor nagy fordulatszámának áttranszformálása a robotkarnak megfelelő kis fordulatszámmá ¾Nyomatékillesztés Ezek a mechanizmusok csoportosíthatók: Forgó mozgásból ) forgó mozgást Forgó mozgásból ) lineáris mozgást Lineáris mozgásból ) forgó mozgást Lineáris mozgásból ) lineáris mozgást. 27


Mozgásátalakítók Forgó mozgásból ) forgó mozgást Fogaskerekes hajtóművek:

felépítésük egyszerű, de az egy fokozatban megvalósítható hajtóviszony kicsi. Hatásfoka nem túl jó, és kicsi az elérhető pozícionálási pontosság.

28

Ipari robotok hajtása Mozgásátalakítók Forgó mozgásból ) forgó mozgást Csigahajtóművek:

¾ alkalmazásukkal egy fokozatban nagyobb lassítás (1/60) valósítható meg, mint a fogaskerekes hajtóművekkel ¾ hatásfokuk meglehetősen rossz, ¾ gyártási pontosságuk nehezen valósítható meg ¾ beépítési helyigényük nagy. Bolygóművek: ¾ felépítésük bonyolult, ¾ beépítési helyigényük nagy, ¾ hátrányaik azonosak a fogaskerék hajtóművekével. 29


Mozgásátalakítók Forgó mozgásból ) forgó mozgást Hullámhajtómű 1.

¾A robotkarok mozgatásánál igény, hogy kis tömegű, nagy fordulatszámú motorral mozgassunk kis fordulatszámú (szögsebességű) robotkart, nagy nyomatékkal. ¾Ez egy igen nagy áttételű hajtóművel megoldható lenne, de nagy méretű, nehéz fogaskerekék nem tehető egy robotkarra. ¾A hullámhajtómű (harmonic drive) úgy valósít meg nagy áttételt, hogy tömege, mérete sokkal kisebb marad, mint egy fogaskerékpárnak vagy -pároknak.. 30

Hullámhajtómű 1.


Kis befoglaló méretű, nagy áttételű (nagy nyomatékot előállító) hajtóművek, melyek fejlesztése a holdjárművek tervezése során valósult meg. Egy fokozatban megvalósítható áttétel igen nagy (~100-200). Hatásfoka jó, de túlterhelésre érzékeny. C. W. Musser 1955-ben szabadalmaztatta. Egymásba helyezett, kis kerület különbséggel rendelkező elemek között, az egyik rugalmas alakváltozásával, alakkal záró (pl. fogazott hullámhajtóművek), vagy erővel záró (dörzs hullámhajtóművek) kapcsolatot hoznak létre: az elemek egymáson legördülésük közben, fordulatonként, kerület különbségüknek megfelelő szöggel fordulnak el egymáshoz képest. 31

Mozgásátalakítók


A hullámhajtómű felépítése 32



A hullámhajtómű működési elve (1): A hullámhajtómű három fő alkatrésze: a hullámgenerátor (2), a hullámkerék (1) és a gyűrűkerék (3). A működés: A hullámgenerátort tekintsük egy ovális acéltengelynek, a hullámkereket egy gumiból készült külsőfogazású keréknek, a gyűrűkereket, pedig egy fixen rögzített acél belsőfogazású keréknek, melynek fogszáma esetünkben kettővel nagyobb, mint a hullámkeréké. A hajtómű bemenete a hullámgenerátor. 33



A hullámhajtómű működési elve (2): A hullámgenerátort forgatva az a hullámkerék fogait sorba „belepréseli” a gyűrűkerék fogai közé. Mivel a hullámkerék fogszáma kisebb, mint a gyűrűkeréké, nyilvánvaló, hogy a hullámgenerátor egyszeri körbefordulásának eredményeképpen a hullámkerék annyi fognyit fordul el, amennyivel kevesebb a hullámkerék fogszáma a gyűrűkeréknél. 34



A hullámhajtómű működési elve (3): A hajtás kimenete a hullámkerék. Megállapítható, hogy a be- és kimenet forgásiránya ellentétes, az áttétel pedig a hullámkerék fogszámának és a fogszámkülönbségnek a függvénye. A harmonikus hajtással a gyakorlatban maximum 1:200 áttételt szokás megvalósítani, határ a kimenő nyomaték, ami már itt is nagy, és erősen igénybe veszi a hullámkerék anyagát. 35



Forgó mozgásból lineáris mozgás Működési elvüket tekintve: golyósorsós, fogasléces, Fogazott szíjas hajtások. Megvalósítási lehetőségei: Golyósorsó – anya Fogaskerék – fogasléc Szalag

anya

golyóvisszavezetés orsó

36



Lineáris mozgásból forgó mozgás Cél: a mozgás jellegének megváltoztatása Szokásos megoldásai: ¾Fogasléc – fogaskerék ¾Szalaghajtómű ¾Lánchajtás ¾Forgattyús mechanizmus Ezekre a hajtóművekre az a jellemző, hogy nincs komolyabb teljesítményátvitel.

37

Ipari robotok hajtása Lineáris hajtás (példa) Az ábrán egy menetes orsós mechanikával és villamos motorral egybeépített lineáris hajtás látható. A hajtás kinyúlása 100 mm, az enkódere 10 bites (1024 lépés), tehát a felbontás kb. 0.1 mm. Mivel egy ilyen hajtással 1000N rúderőt ki lehet fejteni, igen jó a tömeg-teljesítmény arány. Az egész szerkezet csak 700 gramm. 38

Ipari robotok hajtása (példa) Ábrán KUKA 6 tengelyű robotjának hajtáselemei Minden mozgástengelyt egyenáramú (DC) tárcsamotor hajt beépített állandó mágneses biztonsági fékekkel van ellátva. A mozgás során ellenmágneses tér szünetelteti a fékhatást. A motorok fordulatszámát fogazott műanyag szíj hajtással, fogaskerék áttételekkel és hullámhajtóművekkel redukálják és ezzel a nyomatékot növelik. Megjegyzés: Az ábrán a hullámhajtómű és az effektor nem látható. 39


Igm KUKA robot 4-es, 5-ös, 6-os tengelyének hajtáslánca 40

Köszönöm a figyelmet!

Ipari robotok hajtása

Recommend Documents