Силовыми модулями манипуляторов промышленных роботов служат различные типы приводов. В них используются практически все разновидности электрических, гидравлических и пневматических двигателей.
Основные требования к двигателям:
– минимальные веса и габариты;
– повышенные энергетические, статистические и динамические характеристики;
– лёгкость регулирования в большом диапазоне скоростей;
– реверсивность (смена направления движения).
При этом требуется большой ресурс и плавность движений. Должна быть взаимосвязанная групповая работа приводов всех степеней подвижности робота.
Наиболее удобны электродвигатели, так как в пневматических и гидравлических возможна утечка рабочего тела, или нужна специальная станция питания, издающая шум. Электродвигатели не требуют промежуточного энергоносителя, легко регулируются по скоростям и проще других в цеховой эксплуатации. В конце прошлого столетия электроприводы в основном использовались для средних грузоподъемностей, для малых грузоподъемностей использовались пневмоприводы, для больших – гидравлические (электрогидравлические).
Теперь же общая тенденция развития робототехники во всём мире связана с применением электрических приводов для роботов во всём диапазоне грузоподъемностей и требований по быстродействию, точности и надежности.
Кроме двигателя в состав привода по каждой степени подвижности манипулятора входят усилители мощности, передаточные устройства, а также корректирующие цепи, датчики обратных связей по скорости и положению, а иногда и силомоментные датчики. Однако не во всех типах приводов обязательно присутствуют все эти элементы. Их наличие необходимо в замкнутых следящих приводах для контурных и контурно-позиционных систем управления роботов. Большинство пневмоприводов, часть гидроприводов и приводы с шаговыми электродвигателями действуют по разомкнутому циклу.
Пневмоприводы. Скорость движения пневмодвигателя может регулироваться путём изменения расхода воздуха на входе и выходе с помощью пневматического дросселя с изменяемым проходным сечением. Пневмодвигатель даёт большую скорость движения выходному звену манипулятора. При цикловом управлении оно движется от упора до упора с максимальной скоростью. Для исключения резкого удара в конце предусматриваются средства торможения (демпферы, сжатый воздух).
Гидравлические приводы. Электрогидравлические приводы роботов применяются двух классов: дроссельного управления (изменение проходного сечения) и объёмного управления. Дроссельное управление разделяется на управление с гидронасосом постоянной подачи и переменной подачи. Во всех случаях может происходить управление либо гидроцилиндром, либо гидромотором.
Гидронасос постоянной подачи дешевле, чем переменной. Однако энергетические характеристики привода дроссельного управлении с гидронасосом постоянной подачи хуже. Гидроприводы дроссельного управления с гидронасосом постоянной подачи применяются в роботах меньшей грузоподъёмности (десятки килограммов), а с гидронасосом переменной подачи – в роботах сверхбольшой грузоподъёмности (сотни килограммов).
В электрогидравлических следящих приводах (ЭГСП) гидравлический привод (ГП) является исполнительным звеном или силовой частью, а в его управляющей системе в качестве задающих, чувствительных и усилительно-преобразующих элементов используются устройства различного принципа действия. ЭГСП получили широкое распространение благодаря ряду достоинств ГП [3]. Они отличаются высоким быстродействием, большими развиваемыми усилиями и крутящими моментами исполнительных гидродвигателей (ГД), легкостью защиты от перегрузок и другими достоинствами. Если в ЭГСП для достижения высокого качества регулирования формирование управляющих воздействий, реализующих требуемый закон движения объекта регулирования, осуществляется с применением цифровых управляющих устройств с учетом возмущающих факторов внешней среды при существенной взаимосвязи электронных, электромеханических и гидромеханических модулей, то такой ЭГСП представляет собой мехатронную систему. Такая мехатронная система, применяемая в качестве исполнительного звена в различных системах управления, называется электрогидравлическим мехатронным модулем движения (ММД). ММД являются важным классом устройств современных систем управления различного назначения, в которых мехатронные модули используются в качестве информационных, управляющих и исполнительных устройств. Именно цифровая реализация контроля и управления представила большие возможности в придании системам приводов свойства функциональной гибкости, при наличии которого можно говорить о реализации элементов искусственного интеллекта.
Анализ применения разных типов приводов показывает, что пневмоприводы в роботах применяются редко из-за низких жесткостных характеристик и ограниченной гибкости программирования. Гидроприводы по сравнению с электроприводами обеспечивают более высокие параметры роботов, однако их эксплуатационные расходы выше ввиду необходимости обеспечения высокой чистоты масла и отсутствия утечек. Поэтому в последнее время чаще применяют электроприводы. Электрические приводы наиболее удобны в эксплуатации, регулируются в широких пределах, легко стабилизируются. В электроприводах находят широкое применение электродвигатели постоянного тока, электродвигатели переменного тока, шаговые электродвигатели.
Высокочастотные вибродвигатели применяются для манипулирования миниатюрными изделиями. Существует много разновидностей этих двигателей как для поступательных, так и для вращательных перемещений с микронными точностями и с большим диапазоном регулирования скорости. Вибродвигатели основаны на преобразовании высокочастотных упругих колебаний звеньев в виде стоячих или бегущих волн. Преобразуемые колебания имеют частоты с малыми амплитудами в ультразвуковом диапазоне. Такие вибродвигатели могут иметь несколько степеней подвижности для твердых звеньев. Если применить эластичные звенья из пьезоактивных материалов, то можно получить гибко деформирующиеся манипуляторы.