3.11.4. Високочастотні вібраційні прилади

       Нові можливості відкриваються в робототехніці з використанням високочастотних вібраційних перетворювачів руху чи вібродвигунів [10]. До переваг вібродвигунів відносяться такі характеристики, як висока роздільна здатність по переміщенню, широкий температурний діапазон, відсутність впливу паразитних електричних чи магнітних полів, а також хороші динамічні властивості в перехідному режимі руху (пуск, зупинка, крокові режими), оскільки віброелемент із моменту відключення живлення стає гальмуючим. Ці характеристики вібродвигунів дозволяють створювати прецизійні мікророботи, що маніпулюють об'єктами невеликої маси з дуже високою точністю, що має місце, зокрема, при складанні складних схем мікроелектроніки.

Рис.3.4.1. Вібраційні приводи із взаємо-перпендикулярними подовжніми (а), подовжньо-крутильними (б), радіально-крутильними (в) коливаннями активного елемента і з однокомпонентними перетворювачами подовжніх (г) і дотичних (д) коливань

       Принцип дії вібродвигунів аналогічний принципу дії загального класу механізмів перетворення коливань у рух, але з тією різницею, що для останніх граничною областю робочих частот є низькі (до 1 кГц), а для вібродвигунів — області високих (більш 20 кГц) частот; амплітуди коливань перетворювачів лежать у діапазоні 0,1÷10^-3мм для тихохідних і 0,1мм — для швидкохідних пристроїв.

         Вібраційний привід, зображений на рис. 3.4.1, a, представляє собою коливну ланку 2, виконану на пружних підвісках із твердістю С₁ і С₂, так, що утворюється коливальна система із зосередженими параметрами і двома ступенями вільності. Двовимірний рух коливної ланки 2 визначає нормальну і тангенціальну складові швидкості удару при нерухомому роторі 1. Зсув по фазі β гармонійних коливань ланки 2 по відповідних ступенях вільності забезпечує необхідну для приведення в обертання зі швидкістю ω ротора 1 послідовність зворотно-поступальних рухів ланки 2, а співвідношення С₂ > С₁ визначає характер взаємодії елементів 1 і 2 вібродвигуна. Тривалість взаємодії залежить від параметрів A₁ і A₂ і частоти Ω коливань ланки 2.

         Двовимірний рух активного елемента — ( коливної ланки 2 ) може формуватися не тільки сукупністю поздовжніх коливань по взаємно перпендикулярних осях, але і будь-якою комбінацією поздовжніх, поперечних, радіальних, згинальних, крутильних і зсувних коливань. Так, на рис. 3.4.1, б показана схема, що пояснює принцип роботи вібродвигуна ротаційної дії з поздовжньо-крутими коливаннями активного елемента 2. Поздовжні коливання з частотою Ω і амплітудою A забезпечують нормальну складову швидкості удару, а крутьні коливання з амплітудою B і частотою Ω — тангенціальну складову. Сукупна дія обох коливань повинна забезпечити обертання зі швидкістю ω ротора 1 у необхідному напрямку, що досягається зсувом β по фазі обох коливань.

         У вібродвигуна, зображеного на рис. 3.4.1, б активний елемент 2 робить радіально-крутильні коливання, причому радіальні коливання з амплітудою А і частотою Ω забезпечують нормальну складову ударного імпульсу, а крутильні коливання з амплітудою В підкручування і частотою Ω — тангенціальну складову. Як і в попередніх двох схемах, синхронізація дії цих двох складових на ротор 1 забезпечується зсувом β по фазі коливань. Взаємодія елементів 1 і 2 може здійснюватися як по внутрішній поверхні порожнього ротора (як показано на схемі), так і з зовнішнім зачепленням ротора.

         Двовимірні коливання в зоні контакту можуть збуджуватися однокомпонентними перетворювачами поздовжніх коливань активної ланки 2 (рис. 3.4.1, г). Друга складова коливань у зоні контакту виникає завдяки згинним коливанням елемента 2 у площині XOY, що збуджуються проекцією ударного імпульсу на вісь Y. Для забезпечення максимальних швидкостей ω обертання ротора 1 необхідне виконання умови збігу резонансних частот поздовжніх і згинних коливань, що досягається зміною (підбором) жорсткості С пружної підвіски, частотою збуджуючих подовжніх коливань активного елемента 2 таі його геометрією (матеріалом). Однак практично найбільш ефективним є зміна умов кріплення вільного кінця елемента 2, зокрема, підбором кута α (рис. 3.4.1, д). Однак, незважаючи на відносну простоту схеми виконання однокомпонентних віброзбуджувачів, їхнє використання не забезпечує симетричного реверсу руху, що значно звужує область їх застосування.

Рис. 3.4.2. Схеми вібродвигунів із двуроторною (а), однороторною (б) системами, з лінійним (в) і криволінійним у вигляді концентратора (г) збудниками коливань

        Можливі схеми вібродвигунів з одновимірним рухом активного елемента, обумовленим його поздовжніми чи поперечними одновимірними коливаннями в зоні контакту. На рис. 3.4.2, а показана схема вібродвигуна у вигляді двороторної системи 1, у якої зони контакту на роторах (з метою виключення складових подовжнього коливання активного елемента 2) розташовані строго симетрично відносно осі елемента 2. Роль другого ротора як обмежувача появи згинних коливань для однороторних систем виконують компенсаційні накладки 3 (рис. 3.4.2, б), і забезпечення максимальної швидкості досягається регулюванням кутів α ₁ і α ₂, а також параметрами A і Ω коливань активного елемента 2. Як для одно -, так і для двороторних систем з одномірними коливаннями в зоні контакту збуджуються тільки однокомпонентні коливання основної частоти Ω, що призводить до зменшення постійної часу в таких системах при роботі в перехідних режимах руху. Ударна взаємодія елементів 1 і 2 вібродвигуна визначається із врахуванням мікропроковзувння тадеформації в зоні контакту під час удару, тому гіпотеза про миттєвість удару тут незастосовується.

         У розглянутих вібродвигунах як коливна ланка використовувався один активний елемент. У вібродвигунів із двома активними елементами в зоні контакту нормальна і тангенціальна складові швидкості удару формуються окремими перетворювачами, що спрощує процес регулювання цих складових для досягнення оптимального співвідношення амплітуд тангенціальних і нормальних коливань. На рис. 3.4.2, в показана схема лінійного вібродвигуна, у якого рухоме система 1 здійснює лінійні переміщення X ліворуч чи праворуч при відповідній взаємодії з активними елементами 2 і 3, що забезпечують нормальні Y і тангенціальні X коливання з амплітудами Y_n і Х_τ відповідно. Для таких систем зсув β по фазі коливань дорівнює 0 чи π в залежності від напрямку руху.

         При всіх позитивних властивостях вібродвигуни мають істотний недолік, що обмежує можливості їхнього застосування в робототехніці областю маніпулювання і транспортування об'єктів невеликої маси. Розширення цієї області пов'язане зі створенням вібродвигунів підвищеної потужності, що забезпечується, наприклад, застосуванням трансформаторів коливань, виконаних, зокрема, на базі криволінійних концентраторів, що представляють собою сектор п'єзокерамічного кільця з аксіальною чи радіальною поляризацією. Використання активних елементів у вигляді криволінійних концентраторів дозволяє значно підвищити тангенціальну складову швидкості в зоні контакту, причому для схем перетворювачів у більш потужних вібродвигунах забезпечується суміщення вузла прогину з вузловою площиною поздовжніх коливань — місця шарнірного закріплення перетворювачів 2–2′ у корпусі (площина К–К). Крім того, повинні дотримуватися фазові співвідношення поздовжніх і згинних зсувів (рис. 3.4.2, г). Щоб підвищити технологічність виготовлення концентраторів, їхні профілі виконують у вигляді кіл радіусів r₀, r₁ і r₂.

         Принцип роботи таких вібродвигунів полягає в наступному. При збудженні п'єзоелементів 3 і 3′ вздовж осі концентраторів 2 і 2′ поширюються із заданою частотою коливання, забезпечуючи нормальну (за рахунок криволінійності та пружних властивостей концентраторів) і посилену тангенціальну (за рахунок звужених до зони контакту з ротором 1 профілів концентраторів 2 і 2′) складові швидкості в зонах контакту. Характер взаємодії концентраторів з ротором 1 в зонах контакту аналогічний розглянутому вище для схеми вібродвигуна, зображеного на рис. 3.4.1, а. При цьому функції збудників поздовжніх і поперечних коливань виконує один елемент — криволінійний концентратор (2 і 2′). Робочі зони концентраторів притискаються до поверхні ротора пружними елементами C. Сукупна дія нормальної та тангенціальної складових швидкості удару забезпечує обертання зі швидкістю ω ротора 1, причому напрямок обертання визначається співвідношенням (зсувом) фаз нормальної та тангенціальної складових швидкості в зонах контакту. Концентратори, крім радіусів криволінійності r₀, r₁ і r₂, характеризуються також незмінною шириною b у будь-якому перерізі.

   В табл. 3.8 і табл. 3.9 наведені дані окремих вібродвигунів лінійного і ротаційного руху.

Характеристики лінійних вібродвигунів

Характеристики ротаційних вібродвигунів

         Створювані на базі вібраційних приводів маніпуляційні системи ПР мають ряд переваг, яких позбавлені інші типи промислових роботів. Так, вони прості за конструкцією, мають меншу масу і габарити, підвищену точність позиціонування. У віброприводах відсутні проміжні передаточні ланки, люфти і зазори. Вони мають високу роздільну здатність переміщень, а просто та керування дозволяє стикувати системи керування приводами безпосередньо з ЕОМ.

         Принцип побудови і функціонування маніпуляційної системи ПР на базі вібраційних приводів розглянемо на прикладі схеми автоматичного маніпулятора (рис. 3.4.7, а) [10]. Маніпулятор містить нерухому основу 1 зі встановленою на ній платформою 2, на яку, у свою чергу, встановлена ще одна рухома платформа 3, що переміщається по взаємно перпендикулярних осях XOY. Ці транспортні переміщення забезпечуються роздільними приводами з використанням лінійних вібродвигунів 10 і 11 з двома активними елементами (подібних наведеним на рис. 3.4.7, а). Поворот руки 5 маніпулятора забезпечується ротаційним вібродвигуном 4, у якого як активний елемент використовується п'єзокерамічний диск. Таким чином, описуваний маніпулятор працює в циліндричній системі координат, причому орієнтуючі рухи захвата 7 з об'єктом маніпулювання реалізуються ротаційним вібродвигуном 6 з п'єзокерамічним концентратором як активним елементом. Загальне керування здійснюється від мікро ЕОМ 8 через пристрої сполучення — перетворювачі коду 9. Значення кроку по кожній з керованих лінійних координат можуть бути рівними 0,1; 0,5; 1; 2; 10 і 50 мкм при частоті кроків 8–600 Гц.

а	б	в	г	д

Рис. 3.4.3. Автоматичний маніпулятор з високочастотними приводами: а — загальне компонування; б — пристрій телескопічного висування платформи; в — вузол повороту кисті; г — шарнірне з’єднання руки маніпулятора; д — захватний пристрій

         На рис. 3.4.3, б–д наведені компоненти описаного маніпулятора, що використовуються як його елементна база, відповідно: пристрій телескопічного висування, привід повороту кисті, механізм шарніра руки маніпулятора з хвильовим приводом і вібраційний привід захвату маніпулятора.

         Пристрій телескопічного висування платформи (рис. 3.4.3, б) складається з корпусу 3, у якому встановлені п'єзоелементи 2 з башмаками 4, які закріплені на п'єзоелементах і є дотичними з рухомою платформою 1. Електроди п'єзоелементів вздовж і впоперек розділені на симетричні частини. Для лінійного переміщення платформи 1 дві протилежні зони підключаються до джерела високочастотної напруги. При цьому в п'єзоелементі збуджуються поздовжні і зсунуті по фазі поперечні коливання, що обумовлює еліпсоподібзний закон руху башмаків 4. Останні переміщують платформу в напрямку, обумовленому парою підключених напроти лежачих зон. За відсутності високочастотної живильної напруги башмаки фіксують положення платформи.

         Привід повороту кисті (рис. 3.4.3, б, в) із хвильовим генератором коливань містить кільцевий п'єзоелемент 3, який розташований на руці 4 маніпулятора і дотикається своєю зовнішньою поверхнею до внутрішньої циліндричної поверхні кисті 1, встановленої в підшипнику кочення 2. Електроди п'єзоелемента розділені на частині і підключаються до джерела високочастотної багатофазної напруги. При цьому в п'єзоелементі збуджується поздовжньо-поперечна хвиля високочастотних деформацій, що при взаємодії через криволінійний концентратор з поворотною частиною кисті руки маніпулятора проводить її в рух.

         Схема шарніра руки маніпулятора з хвильовим приводом (рис. 3.4.3, г) містить ланки 1 і 4 шарніра маніпулятора, закріплені на дисках 2 і 3, один з яких - п'єзоелектричний. Диски встановлені на осі 6 і притискаються один до одного пружиною 5. Електроди п'єзоелектричного диска розділені на частини і живляться багатофазною напругою. Збуджувана в п'єзокерамічному диску рухома хвиля деформацій створює рушійну силу, здійснюючи ротацію диска і поворот ланки на кут α .

         У приводі захвату маніпулятора (рис. 3.4.3, д) губки 1, шарнірно закріплені в корпусі 2, рухаються за допомогою осердя 4, що лінійно переміщується під дією п'єзокерамічного вібратора 5, і тяги 3. Робота приводу аналогічна розглянутій вище роботі пристрою телескопічного висування руки.

         Описані лінійні та ротаційні приводи не вичерпують всього їхнього різноманіття, що використовується в промисловій робототехніці, і лише дають уявлення про найбільш успішно використовувані чи перспективні реалізації та напрямки робіт зі створення високоефективних виконавчих механізмів ПР.

Контрольні завдання

1. Назвіть основні типові механізми МС робота.
2. Назвіть область зас­тосування і поясніть особливості проектування КПМ.
3. Поясність конструктив­ні особливості та наведіть порядок розрахунку кулькових гвинтових передач.
4. Назвіть область застосування і поясність конструктивні особливості та поря­док розрахунку черв'ячних передач.
5. Розкрийте конструктивні особливості ХМП і поясність можливість забезпечення ними великих передаточних відно­шень.
6. Наведіть елементи розрахунку ХМП.
7. Назвіть області застосування демпферних (гальмівних) механізмів у промисловій робототехніці.
8. Охарактеризуйте основні групи гідродемпферів.
9. Дайте характеристику порошкових ЕМГ.
10. Наведіть розрахункову схему порошкового ЕМГ та сформулюйте за­дачу його розрахунку.
11. Наведіть основні розрахункові залежності та дайте послідовність розрахунку параметрів котушки збудження порошкового ЕМР.
12. Наведіть приклади застосування електромагнітних муфт з дисковими та стрічковими гальмами.
13. Поясність принципи електричного гальмування,
14. Охарактеризуйте методи і наведіть приклади конструктивного виконання з'єд­нувальних механізмів МС робота.
15. Розкрийте особливості використання УСМ для агрегатно-модульних конструкцій ПР.
16. Наведіть основні класифікаційні ознаки напрямних та опор.
17. Дайте аналіз конструкцій напрямних кочення.
18. Розкрийте можливості регулювання натягу у напрямних.
19. Дайте схему розрахунку напрямних кочення поступального руху.
20. Охарактеризуйте конст­руктивні особливості та наведіть схему розрахунку напрямних обертального руху.
21. Назвіть методи розвантаження елементів МС робота та наведіть при­клади зрівноважених конструкцій його МС.
22. Наведіть основні типи і сферу використання виконавчих механізмів загального призначення для ПР.
23. Розкрийте можливості створення позиційних приводів ПР.
24. Які основні конструктивні ознаки цифрових позиційних пневмоприводів ПР ?
25. Охарактеризуйте можливі варіанти демпферів, вбудованих в позиційні пневмоприводи .
26. Розкрийте конструктивні ознаки і переваги застосування ротаційних дискретних пневмоприводів в промисловій робототехніці.
27. Розкрийте принцип дії, наведіть основні варіанти реалізації та сформулюйте переваги використання високочастотних вібраційних двигунів.