4. Napędy elektryczne

Stosuje się również inne rozwiązania przekształcające ciśnienie w cylindrze na ruch obrotowy (śruby, krzywki) oraz siłowniki pneumatyczne membranowe, tj. sztuczne mięśnie pneumatyczne. 4. Napędy elektryczne W pierwszej fazie rozwoju robotów przemysłowych stosowano napędy pneumatyczne i hydrauliczne. Wzrost wymagań w stosunku do robotów drugiej i wyższych generacji spowodował rozwój napędów elektrycznych. Szacuje się obecnie, że 50% robotów ma napęd elektryczny. Napędy elektryczne mają następujące zalety: niska cena napędu i układu sterowania w porównaniu z napędem hydraulicznym; prostota układu zasilania; duża niezawodność; duża prostota czynności konserwacyjnych; praca bez hałasu; małe wymiary układu sterowania i zasilania. Wadami napędu elektrycznego są: niekorzystny, w porównaniu z napędem hydraulicznym, stosunek mocy do masy urządzenia, szczególnie dla dużych mocy. Stąd też przy manipulatorach o bardzo dużym udźwigu nie stosuje się napędu elektrycznego; właściwości w tej dynamiczne dziedzinie, wciąż napędu są elektrycznego gorsze od pomimo właściwości dużego postępu dynamicznych napędu hydraulicznego; wrażliwość na długotrwałe przeciążenia, mogące doprowadzić do spalenia silnika; duże prędkości kątowe znamionowe wymagające stosowania przekładni redukcyjnych. Spośród różnych silników elektrycznych największe zastosowanie znalazły komutatorowe silniki elektryczne prądu stałego i krokowe silniki elektryczne, zwłaszcza w tzw. bezpośrednim napędzie elektrycznym. Te ostatnie dobrze nadają się dla celów pozycjonowania. Bezkomutatorowe indukcyjne silniki elektryczne nie są korzystne przy zmiennej prędkości obrotowej i przy zmianach kierunku wirowania, bezkomutatorowe synchroniczne silniki elektryczne zaś nie są szeroko stosowane, chociaż mają szereg zalet. W 33

ich układzie sterowania wymagany jest magnetoindukcyjny bądź optoelektroniczny impulsator montowany na wale napędowym, który również jest niezbędny dla komutatorowych silników elektrycznych prądu stałego. Krokowe silniki elektryczne wymagają dalszego doskonalenia ich parametrów siłowych, geometrycznych i sterowania. Również liniowe silniki elektryczne nie są często stosowane. Postęp w budowie silników wykonawczych prądu stałego i silników skokowych doprowadził do opracowania konstrukcji silników elektrycznych odpowiadających warunkom stawianym przez napędy manipulatorów. Warunki te obejmują m.in.: małe znamionowe prędkości kątowe (obrotowe); odporność na krótkotrwałe znaczne przeciążenie, np. momenty rozruchowe ok. 10 razy większe niż momenty znamionowe; zapewnienie aperiodyczności procesów przejściowych w całym zakresie zmian parametrów; małe rozmiary; mała bezwładność wirnika; krótkie czasy rozruchu i hamowania, rzędu milisekund. 4.1. Napędy elektryczne prądu stałego Najbardziej rozpowszechnionym napędem elektrycznym ramion manipulatorów jest napęd z silnikami wykonawczymi obcowzbudnymi prądu stałego. Napęd taki umożliwia zmiany prędkości kątowej w szerokim zakresie - aż do zatrzymania silnika przez zmianę napięcia zasilania. Właściwość ta jest bardzo dogodna w układach regulacji nadążnej położenia ramion manipulatora. Niedogodnością tych napędów jest obecność komutatora i szczotek, gdyż: wymagają często w one okresowego przypadku pracy czyszczenia silnika z i wymiany małą szczotek, prędkością i szczególnie dużym prądem, często spotykanej w napędach manipulatorów; iskrzenie przypadku na dużych komutatorze wymagań utrudnia ze względu zastosowanie na bezpieczeństwo źródłem zakłóceń dla elektronicznego układu sterowania robota; 34 takich robotów i może w być

tarcie szczotek o komutator powoduje powstanie strefy nieczułości, gdyż rozruch silnika następuje dopiero po przekroczeniu przez napięciezasilania pewnej wartości progowej. Wartość względna tej wartości progowej jest szczególnie duża dla silników małej mocy. a) b) c) Rys. 34. Różnice konstrukcyjne między silnikiem a) obcowzbudnym prądu stałego; b) kubkowym; c) dyskowym (tarczowym) Silniki obcowzbudne prądu stałego spotykane w manipulatorach mają: stałe wzbudzenie, generowane przez małe, lecz silne magnesy trwałe ze stopu alnico lub magnesy ceramiczne zawierające tlenki żelaza; dużą liczbę par biegunów: 8...12 zapewniającą względnie małe prędkości maksymalne, nie przekraczające ok. 200 rad/s (2000 obr/min); małe momenty bezwładności wirnika, będącego najczęściej cienkim dyskiem z tworzywa sztucznego z dużą liczbą uzwojeń nadrukowanych z oby dwu stron i wałkiem z lekkiego i wytrzymałego tytanu. Klasyczny silnik elektryczny może wytrzymać konkurencję z dyskowym pod względem stosunku momentu obrotowego do masy. Z drugiej strony dyskowy silnik elektryczny jest szybki w działaniu, ale ma mniejszy moment obrotowy rozruchowy. Jest on budowany dla zmniejszenia stałej czasowej oraz bezwładności wirnika, co jest istotne przy projektowaniu układów sterowania. 4.2. Silnik dyskowy (rys. 35) 35

Rys. 35. Zasada druku wirnika dyskowego: linie ciągłe uzwojenie po jednej, przerywane po drugiej stronie tarczy izolacyjnej: 1 część czynna pręta, 2 połączenia czołowe, 3 miejsca połączeń elementów uzwojeń naniesionych po obydwu stronach tarczy, N,S biegunowość strumienia wzbudzenia Rys. 36. Schemat silnika dyskowego: 1 obudowa, 2 biegun, 3 piasta, 4 tarcza, 5 cewka, 6 osłona, 7 łożyska, 8 tulejka, 9 - tarcza Pozbawiony rdzenia ferrytowego wirnik silnika dyskowego charakteryzuje się pomijalnie małą indukcyjnością, co znacznie zmniejsza kłopoty związane z iskrzeniem komutatora. Z drugiej jednakże strony bezferrytowość wirnika sprawia, że silniki dyskowe są bardzo wrażliwe na dłuższe przeciążenia. Wynika to stąd, że przy takim wirniku jedynym elementem mogącym magazynować wydzieloną w nim energię cieplną jest uzwojenie wirnika; doprowadza to do szybkiego wzrostu temperatury tych uzwojeń w warunkach przedłużającego się przeciążenia. Stąd też silniki dyskowe są z reguły zaopatrywane w zabezpieczenie dynamiczne" przed przeciążeniami, zezwalające np. na 5...10-krotne 36

przeciążenia prądowe w okresie rozruchu lub hamowania, trwającym ok. 50 ms, lecz ograniczające prąd przy dłuższych przeciążeniach. Na rys. 37 przedstawiono schemat układu zasilania silnika dyskowego, równania opisujące silnik, jego charakterystyki statyczne i transmitancje operatorowe. Z wyrażenia na stałą czasową elektromechaniczną T wynika, że maleje ona ze zwiększeniem momentu rozruchowego MR i z maleniem prędkości znamionowej kątowej ωn, a wzrasta ze zwiększeniem momentu bezwładności J. Elektromechaniczna stała czasowa obecnie produkowanych silników dyskowych, o mocach do 8 kw, jest rzędu 2...10 ms. W manipulatorach stosuje się najczęściej silniki o mocach nie przekraczających 1 kw. a) b) c) d) Rys. 37. Schemat układu i blokowy silnika dyskowego prądu stałego: a) schemat; b)charakterystyki dla napięcia zasilania o stałej wartości; c) charakterystyki dla momentu obciążającego o stałej wartości; d) schemat blokowy i transmitancja U = RI + E ; T= M e M obc = J dω ; dt RI ω I = n, przy czym ω ce cm M R n = E = ceω ; M e = cm I, U ; ce 4.3. Sterowanie silników prądu stałego 37

Silniki prąciu stałego są sterowane sterownikami tyrystorowymi (w przypadku większych mocy) lub tranzystorowymi (w przypadku mniejszych mocy). Ze względu na konieczność zapewnienia sterownikom bardzo dobrych właściwości dynamicznych stosuje się powszechnie sterowniki z impulsową modulacją napięcia stałego, umożliwiające dokonywanie przełączeń napięcia na zaciskach twornika silnika z częstotliwościami dochodzącymi do 1 khz; zapewnia to sterownikom właściwości dynamiczne porównywalne z właściwościami dynamicznymi silników wykonawczych. 4.3.1. Obwód wyjściowy sterownika Rys. 38. Obwód wyjściowy sterownika z impulsową modulacją napięcia stałego: Uz napięcie zasilania, L indukcyjność wygładzająca prąd, T1...T4 tyrystory; D1...D4 diody, L m indukcyjności pomocnicze Uz pochodzi z zasilacza prądu stałego. W szeregu z twornikiem silnika wykonawczego znajduje się indukcyjność L, zadaniem której jest wygładzanie impulsów prądu. Układ mostkowy tyrystorów T1,..., T4 umożliwia doprowadzenie napięcia zasilającego o zmieniającej się biegunowości do twornika silnika w czasie jego pracy silnikowej. Układ mostkowy diod D1,..., D4 umożliwia odzyskiwanie energii oddawanej do zasilacza przez silnik podczas hamowania. Na rys. 39 przedstawiono cztery rodzaje pracy sterownika. Na rysunku pozostawiono tylko te tyrystory lub diody, które dla danego sposobu pracy przewodzą prąd. Podczas pracy silnikowej prąd jest wymuszany przez wprowadzone na zaciski twornika silnika napięcie zasilające skierowane przeciwnie aniżeli siła elektromotoryczna rotacji E twornika silnika. Podczas hamowania prąd jest wymuszany przez siłę elektromotoryczną E skierowaną przeciwnie do napięcia zasilającego. 38

Rys. 39. Cztery rodzaje pracy sterownika Tyrystory T1 i 74 oraz T2 i T3 sterownika są na przemian załączane (doprowadzane do stanu przewodzenia) lub wyłączane (doprowadzane do stanu nieprzewodzenia), w wyniku czego napięcie U twornika silnika ma przebieg prostokątny. Na rys. 40 przedstawiono trzy różne przebiegi czasowe napięcia zasilania U i prądu I silnika: a) w przypadku jednakowej szerokości dodatnich i ujemnych impulsów napięcia Uz; w każdym okresie T zmian tego napięcia występują wszystkie cztery rodzaje pracy sterownika. Właściwość ta leży u podstaw doskonałych właściwości dynamicznych sterownika. Zmieniając bowiem stosunek szerokości dodatnich i ujemnych impulsów napięcia można bardzo szybko wydłużyć czas trwania określonego rodzaju pracy i skrócić czas trwania innego rodzaju pracy. Tym samym można bardzo szybko średnie wartości napięcia, prądu i prędkości kątowej (równe 0 w przypadku ta = tb) uczynić różnymi od zera i wysterować silnik; b) w przypadku maksymalnej szerokości dodatnich impulsów napięcia prąd nie zmienia kierunku pozostając dodatnim dla całego okresu T, przy czym w każdym okresie 7 występują kolejno tylko I i II rodzaj pracy. Wartości średnie napięcia i prędkości kątowej są dodatnie, a ich wartości bez względne są największe; c) w przypadku maksymalnej szerokości ujemnych impulsów również nie zmienia kierunku pozostając ujemnym 39 napięcia prąd dla całego okresu T,

przy czym w każdym okresie T występują kolejno tylko IV i III rodzaj pracy. Wartości średnie napięcia i prędkości Kątowej są ujemne, a ich wartości bezwzględne są również największe. a) b) c) Rys. 40. Przebiegi napięcia zasilania U i prądu I silnika dla: a) ta=tb; b) tamax>tbmin; c) tamin<tbmax 4.3.2. Układ komutacji sterownika Komutacją nazywa się wyłączenie załączonego tyrystora. Komutacja wymaga przekazania tyrystorowi stosunkowo dużej energii magazynowanej zwykle w specjalnym kondensatorze komutacyjnym. Ponowne naładowanie tego kondensatora wymaga czasu; im dłuższy ten czas, tym gorsze właściwości dynamiczne ma sterownik. Stąd rozpowszechnienie specjalnych układów komutacji zawierających obwody szybkiej regeneracji kondensatora komutacyjnego (rys. 41). 40

Rys. 41. Schemat układu komutacji sterownika: Uz napięcie zasilania; C kondensator komutacyjny, TK1, TK2 tyrystory komutacyjne, UP uzwojenie pierwszego transformatora, UW uzwojenie wtórne transformatora, UWR uzwojenie wtórne regeneracyjne, D, D1...D4 diody, T1...T4 - tyrystory W układzie tym kondensator komutacyjny C naładowany do napięcia Uc zostaje przez tyrystor komutacyjny TK1 załączony w momencie komutacji do uzwojenia pierwotnego UP transformatora. Uzwojenia wtórne UW tego transformatora generują w tym momencie napięcia wsteczne, wskutek czego załączone tyrystory zostają wyłączone. Równocześnie napięcie indukowane w uzwojeniu wtórnym regenerującym UWR wzrastając przekracza wartość napięcia zasilania Uz, wskutek czego przez uzwojenie UWR i diodę D popłynie prąd. Prąd ten indukuje w uzwojeniu pierwotnym UP siłę elektromotoryczną zapobiegającą całkowitemu rozładowaniu kondensatora C, wskutek czego skraca się czas potrzebny do późniejszego naładowania tego kondensatora do pierwotnego napięcia Uc przez włączenie drugiego tyrystora komutacyjnego TK2. Obydwa tyrystory komutacyjne TK1 i TK2 komutują samoczynnie: tyrystor TK1 pod wpływem napięcia indukowanego w uzwojeniu UP przez prąd uzwojenia wtórnego regenerującego UWR; tyrystor TK2 pod wpływem napięcia Uc, do którego zostaje naładowany kondensator C. 4.3.3. Zasilacz regenerujący Zasilaczem regenerującym nazywa się zasilacz prądu stałego mogący również pracować jako inwertor, tzn. oddawać energię do sieci prądu przemiennego w przypadku, gdy napięcie zasilania odbiornika stanie się wyższe niż napięcie wyjściowe zasilacza. 41

Na rys. 42 przedstawiono schemat zasilacza regenerującego przeznaczonego do zasilania obwodu wyjściowego sterownika. W zasilaczu tym diody D1 i D2 tworzą prostownik dwu połówkowy zasilający poprzez dławik L filtr RC, którego napięcie wyjściowe jest napięciem zasilania Uz obwodu wyjściowego sterownika. Tyrystory T1 i T2 pracują jako inwertory z odpowiednio przesuniętymi stałymi momentami załączania dobranymi tak, że przy znamionowym napięciu wyjściowym Uz prąd inwertora I, jest równy 0. Jeżeli natomiast napięcie Uz stanie się wyższe niż znamionowe (co nastąpi przy pracy hamulcowej silnika), to prąd I, stanie się różny od zera i wskutek przełączania tyrystorów T1 i T2 zostaje oddany do sieci prądu przemiennego. Rys. 42. Schemat zasilacza regeneracyjnego: D1 i D2 diody, T1 i T2 tyrystory, L indukcyjność, R i C rezystancja i pojemność filtru 4.4. Silniki krokowe (skokowe) elektryczne Zasada pracy wszystkich silników krokowych opiera się na dyskretnych zmianach pola elektromagnetycznego w szczelinie silnika. Za zmianami położenia osi pola wzbudzającego podąża wirnik, który cyklicznie zajmuje określone położenia w przestrzeni. Liczba tych położeń jest zawsze większa niż dwa na jeden obrót. Krokowe silniki elektryczne umożliwiają więc zamianę dyskretnego sygnału elektrycznego na przyrostowy moment położenia kątowego. Są one typu synchronicznego, co umożliwia korelację pomiędzy położeniami wejściowym i końcowym. Wyróżnia się trzy rodzaje krokowych silników elektrycznych: magnetoelektryczne (ze stałymi magnesami), reluktancyjne (ze zmienną reluktancją), hybrydowe (łączą własności pozostałych odmian). 42

Z punktu widzenia zastosowań w robotach silniki skokowe mają następujące zalety: łatwość ich sterowania za pomocą sygnałów cyfrowych generowanych przez komputer; możliwość uzyskania bardzo dużych dokładności pozycjonowania napędzanego ramienia lub palców przy sterowaniu w torze otwartym, tj. bez konieczności pomiaru położenia. Silniki skokowe stanowią więcalternatywę dla serwomechanizmów położenia. Ich wadami są nieciągłe wartości przyśpieszeń, ograniczone osiągi, zmienne momenty zależne od położenia oraz zbyt małe wartości momentów (wady tej nie mają silniki skokowe elektryczno-hydrauliczne). Silnik reluktancyjny przedstawiony na rys. 43 ma stojan o 12 biegunach przesuniętych względem siebie o 30 oraz wirnik o 8 biegunach przesuniętych względem siebie o 45. Uzwojenia stojana są połączone szeregowo w trzy grupy, z których każda zawiera 4 uzwojenia. Grupy te są kolejno wzbudzane prądem stałym, w wyniku czego wirnik ustawia się w sposób minimalizujący reluktancję obwodu magnetycznego zamykającego strumień magnetyczny wytworzony przez daną grupę uzwojeń. I tak np. przy przepływie prądu przez uzwojenie grupy 1 bieguny wirnika najbliższe biegunom uzwojeń tej grupy ustawią się jak na rysunku. Wzbudzenie samego uzwojenia 2 sprawi, że wirnik obróci się o kąt krokowy równy 45-30 = 15 w lewo. Rys. 43. Silnik elektryczny krokowy: a) reluktancyjny; b) o magnesie trwałym 1,..., 4 zaciski uzwojeń, 5 (c common) zacisk wspólny Na rys. 44 przedstawiono zasadę działania krokowego silnika elektrycznego o wirniku czynnym z dwubiegunowym magnesem trwałym. Na rysunku pokazano sytuacje odpowiadające czterem kolejnym taktom komutacji uzwojenia. Po zasileniu cewki bieguna 1 napięciem (takt 1) wytworzy ona strumień magnetyczny Φ1=Φs skierowany jak na rysunku. Spolaryzowany dwubiegunowo wirnik zajmie takie położenie, aby zwrot kierunku strumienia magnetycznego wirnika był zgodny ze zwrotem kierunku strumienia magnetycznego stojana. 43

Jeżeli teraz dodatkowo zostanie zasilona cewka bieguna 2 (takt 2), to strumień stojana Φs będący wypadkowym strumieniem Φ1 i Φ2 zmieni położenie przestrzenne i na wirnik zacznie działać moment obrotowy (od współdziałania strumienia stojana i wirnika) powodujący obrót wirnika do pokrycia się zwrotu jego osi magnetycznej ze zwrotem kierunku strumienia magnetycznego stojana. Kolejny skok wirnika nastąpi po odłączeniu od źródła zasilania cewki bieguna 1 (takt 3), a czwarty po dodatkowym zasileniu cewki bieguna 3. Po ośmiu takich taktach komutacji wektor strumienia stojana i wirnik wykonują pełny obrót. Wadą tego sposobu sterowania jest konieczność stosowania impulsów o różnej polaryzacji. Rys. 44. Zasada działania krokowego silnika elektrycznego o wirniku czynnym 4.5. Silniki skokowe elektryczno-hydrauliczne Silniki skokowe elektryczno-hydrauliczne są elektryczno-mechaniczno- hydraulicznymi dyskretnymi przetwornikami binarnych sygnałów elektrycznych na kąt obrotu lub przesunięcie wału siłownika hydraulicznego. Podobnie jak dla silników skokowych elektrycznych kąt obrotu lub przesunięcie wału mogą przyjmować jedynie wartości dyskretne będące całkowitymi wielokrotnościami kąta krokowego lub przesunięcia krokowego. Idea elektryczno-hydraulicznego silnika skokowego polega na sprzęgnięciu elektrycznego silnika skokowego z hydraulicznym wzmacniaczem suwakowym ruchu obrotowego lub posuwistego, który z kolei steruje siłownikiem hydraulicznym. 44

Silniki skokowe elektryczno-hydrauliczne można podzielić na silniki ruchu obrotowego i silniki ruchu posuwistego. Na rys. 45 przedstawiono budowę silnika ruchu obrotowego. Silnik ten składa się z klasycznego silnika hydraulicznego ruchu obrotowego (wirnik, tłok, tarcza napędowa sprzęgnięta z wałem silnika, nieruchoma tuleja przełącznika obrotowego). Silnik hydrauliczny jest sterowany za pomocą hydraulicznego przełącznika obrotowego składającego się z rdzenia napędzanego przez silnik skokowy elektryczny oraz osłony sprzęgniętej z wirnikiem i nieruchomej tulei, na której ślizga się wirnik. Obrót wału silnika skokowego elektrycznego sprawi, że rdzeń połączy jedną z komór z ciśnieniem wysokim, a drugą komorę z ciśnieniem niskim. W wyniku wirnik obróci się, a wraz z nim obróci się osłona nadążająca za ruchem rdzenia, wskutek czego droga zasilania komór zostanie ponownie przerwana i wirnik silnika hydraulicznego zatrzyma się. A więc wirnik silnika hydraulicznego wykonuje kroki nadążające, śledzące kroki silnika skokowego elektrycznego. Rys. 45. Silnik elektrohydrauliczny skokowy ruchu obrotowego: p1 ciśnienie niskie, p2 ciśnienie wysokie 45

Na rys. 46 przedstawiono budowę silnika ruchu posuwistego. W silniku tym przełącznik ma dwa tłoki i jest zakończony śrubą wkręcającą się w tłok siłownika hydraulicznego ruchu posuwistego. Przełącznik zostaje obrócony o kąt krokowy przez sprzęgnięty z nim silnik skokowy elektryczny. Zależnie od kąta obrotu nastąpi wkręcenie się śruby w tłok lub jej wykręcenie, co doprowadzi do przesunięcia tłoków przełącznika, w wyniku czego do komory doprowadzone zostanie ciśnienie wysokie p2 lub niskie p1. Pod wpływem powstałej różnicy sił tłok zacznie się przesuwać, przy czym przesunięcie to nastąpi zawsze w takim kierunku, by tłoki przełącznika doprowadzić do pozycji neutralnej. Po osiągnięciu tej pozycji tłok zatrzyma się do momentu wykonania przez silnik skokowy elektryczny następnego kroku. A więc w rozpatrywanym rozwiązaniu tłok siłownika hydraulicznego wykonuje przesunięcie krokowe nadążające za obrotami skokowymi silnika skokowego elektrycznego. Rys. 46. Silnik elektrohydrauliczny skokowy ruchu posuwistego: p1 ciśnienie niskie, p2 ciśnienie wysokie 4.6. Liniowe silniki elektryczne Na rys. 47 pokazano główne zespoły takiego silnika. Silnik ten składa się z okładek z wypełnieniem epoksydowym, w którym porusza się magnes stały stanowiący biegnik. Biegnik porusza się na łożysku pneumatycznym o grubości 0.0132 mm. Na rys. 48 pokazano fazy ruchu liniowego silnika elektrycznego. Każda nowa faza pobudzania wywołuje przemieszczenie o 1/4 podziałki ruchu biegnika w stosunku do okienek. W ten sposób realizuje się ruch o 3/4 podziałki. Na każdym rysunku zwrot kierunku przepływu prądu zaznaczono strzałkami. Jeżeli elektromagnes A(EMA) jest pobudzony, maksymalna gęstość przepływu powstaje w biegunie 2 i ustawienie jest pokazane na rysunku a). Jeżeli A jest niepobudzony, a EMB jest 46

pobudzony, maksymalna gęstość przepływu powstaje w biegunie 3, a minimum gęstości w 4. Siły przyciągania w biegunie 3 wywołują przesunięcie zęba na prawo. Czasami liniowy silnik elektryczny umożliwia realizację bezpośredniego napędu elektrycznego. Na ogół pozycja wirnika względem okładek jest dyskretna. Liniowy silnik elektryczny ma pełny krok rozdzielności zdefiniowanej przez powierzchnię zęba na biegunach. Typowa podziałka wynosi 1.016 mm. Dla sekwencji pokazanej na rysunku rozdzielność wynosi 1/4 podziałki, tzn. 2.6 mm. Te pozycje nazywa się czasami "podstawowym krokiem". Możliwe jest również rozwiązanie konstrukcyjne liniowego silnika elektrycznego z dwoma ortogonalnymi biegnikami w jednej ramie. Rys. 47. Główne zespoły dwufazowego liniowego silnika elektrycznego (General Signal Corp. Santa Clara, CA) 47

Rys. 48. Fazy ruchu dwufazowego liniowego silnika elektrycznego 4.7. Silnik elektryczny stanowiący bezpośredni napęd elektryczny W latach osiemdziesiątych został zaprojektowany nowy rodzaj silnika elektrycznego, który umożliwia realizację bezpośredniego napędu elektrycznego robota (z wyeliminowaniem przekładni zębatej). Ten nowy przetwornik elektromechaniczny został wyprodukowany przez Motornetics Corporation i został nazwany "Megatorąue motor system". Wytwarza on duży moment obrotowy, tzn. 507-14480 Nm przy małych wartościach prędkości obrotowych (0.5 obr/s) bez potrzeby stosowania reduktora prędkości obrotowej. Ponadto częścią integralną silnika elektrycznego jest czujnik położenia, który umożliwia rozdzielczość impulsów porównywalną z optoelektronicznymi impulsatorami położenia stosowanymi obecnie w manipulatorach. Silnik elektryczny typu Megatorque jest trójfazową maszyną elektryczną prądu przemiennego wyposażoną w komutator elektroniczny, podobnie jak komutatorowy silnik prądu stałego z komutatorem mechanicznym. Jest on maszyną elektryczną o zmiennej reluktancji i nie ma magnesów stałych. 48

Rys. 49. Przekrój silnika typu Megatorque napęd bezpośredni (B. Powell i Motornetics Corp. finans. SK, Santa rosa, CA) Model 1140 Rys. 50. Ćwiartka sekcji blaszki silnika typu Megatorque z dwoma stojanami ulokowanymi wokół wirnika 49

Sercem silnika jest zespół blaszek, które łączą wirnik i stojan. Na rys. 50 pokazano przykład takiej blaszki. Z rysunku wynika, że cienki obrączkowy wirnik jest zamontowany między dwoma koncentrycznymi stojanami. Oba stojany oddziałują na wirnik i wytwarzają wzmocniony moment obrotowy. Duża liczba zębów magnetycznych wirnika i dwa stojany powodują wytwarzanie dużej wartości momentu obrotowego. Trójfazowe pole magnetyczne jest wytwarzane przez 36 zezwojów dwóch uzwojeń stojanów (18 zezwojów na każdy z dwóch stojanów), Każdy ze stojanów ma 150 zębów, wirnik zaś działa jak biegun silnika elektrycznego. Moment obrotowy jest wytwarzany przez sekwencyjne wzbudzanie zezwojów tych 12 biegunów. Dla jednego obrotu wirnika występuje 150 zmiennych cykli, które dają przełożenie 150:1, co koresponduje ze wzmocnieniem momentu obrotowego elektromechanicznego. Należy zauważyć, że zastosowane w tym rozwiązaniu konstrukcyjnym umieszczenie wirnika między dwoma stojanami umożliwia uzyskanie takich samych parametrów znamionowych, jakie miałby konwencjonalny silnik elektryczny z 300 biegunami lub 900 zezwojami uzwojenia stojana. Inną zaletą umieszczenia wirnika między dwoma stojanami jest skrócenie drogi przepływu strumienia magnetycznego. 5. Mechanizmy przekazywania ruchu stosowane w robotach Mechanizmy przekazywania ruchu służą do transmisji ruchu silnika (silników) do członów otwartego łańcucha kinematycznego manipulatora lub robota zawierającego pary kinematyczne - obrotowe lub postępowe. W niektórych przypadkach, kiedy mamy do czynienia z zamkniętymi łańcuchami, np. mechanizm pantografu, człony poruszają się jednocześnie i mechanizmy przekazywania napędu są lokowane w inny sposób. Należy zdawać sobie sprawę, że przy przekazywaniu ruchu, ze względu na luzy w parach, tarcie, podatność, obciążenia, występują zjawiska dynamiczne (drgania), które wpływają niekorzystnie na pozycjonowanie chwytaka. Stąd rozmieszczenie siłowników oraz różnych przekładni powinno być takie, aby zmniejszyć niekorzystny wpływ zjawisk dynamicznych i statycznych. 5.1. Przekładnie pasowe 50