Buzdugan I.D., Mogan Gh.L. Proiectarea roboților. Universitatea Transilvania din Braşov

Anexa.T.5.1 Aspecte generale despre servomotoarele electrice de antrenare

Locul și rolul servomotoarelor de acționare

În fig. 1 se prezintă schema bloc a unui sistem de antrenare a unei cuple cinematice. Motorul antrenează cupla cinematică prin intermediul unei transmisii mecanice, care are rolul de a adapta componentele puterii mecanice (viteza şi sarcina) de la ieşirea din acesta q_m, Q_m (ω_m, M_m sau v_m, F_m), la cele ale subansamblului antrenat - de exemplu, cupla şi braţul unui robot cu parametri q_i, Q_i (ω_i, M_i sau v_i, F_i) şi, respectiv, q_e, Q_e (ω_e, M_e sau v_e, F_e). Pe de altă parte, motorul este cuplat la un bloc de comandă, care asigură reglarea vitezei şi/sau sarcinii, precum şi a unor funcţii de protecţie. Motorul împreună cu blocul de comandă asociat formează subsistemul de acţionare, care are ca parametri de intrare energia de acţionare şi comenzile de deplasare şi ca parametri de ieşire mişcarea şi forţa motoare impuse. Subsistemul de acţionare împreună cu transmisia mecanică formează subsistemul de antrenare.

Fi g. 1 Schema bloc a subsistemului mecatronic de antrenare a unei cuple motoare

În general, parametri principali ai unui subsistem de antrenare al unei cuple cinematice a unui robot industrial sunt:

- viteza nominală şi domeniul de variaţie a acesteia;

- momentul de torsiune nominal şi caracteristica de antrenare (dependenţa momentului nominal de viteză);

- variaţia vitezei şi sarcinii de antrenare cu timpul;

- momentul rezistent la pornire;

- durata ciclurilor de funcţionare şi frecvenţa demarajelor;

- durata maximă admisibilă a perioadelor de demarare şi de frânare;

- masa şi momentele de inerţie;

- precizia de poziţionare;

- factorii legaţi de mediul de funcţionare: temperatură, umiditate , vibraţii etc.;

- caracteristicile sursei energetice;

- carcteristicile comenzilor.

În general, proiectarea unui subsistem de antrenare a unei cuple cinematice presupune parcurgerea următoarelor etape:

- identificarea caracteristicilor subansamblului antrenat;

- alegerea sursei energetice şi a motorului;

- determinarea puterii şi vitezei nominale a motorului;

- adoptarea tipului transmisiei mecanice şi sinteza acesteia.

Mişcarea obiectului de manipulat în spaţiul de lucru al unui robot industrial rezultă ca o combinaţie de mişcări ale unor cuple cinematice, fiecare fiind antrenată de un subsistem de antrenare, cu schema bloc din fig. 1. De obicei, cuplele cinematice efectuează mişcări cu amplitudinile vitezei și accelerației cunoscute în timp (fig. 2), în vederea deplasării punctului caracteristic pe traiectorie. Principalele probleme care se pun în acest caz pentru antrenarea unei cuple sunt:

- determinarea legii de mişcare;

- determinarea raportului de transmitere;

- alegerea motorului de acţionare.

Fig. 2 Legi de mişcare cu acceleraţie constantă

Durata unei mişcări, în principal, depinde de acceleraţie - dependentă la rândul ei de masele şi momentele de inerţie ale elementelor mobile - şi de distanţa parcursă. Deci, din aceste considerente, comenzile roboţilor ar trebui să fie modificabile (adaptabile), deoarece traiectoria realizată cu obiectul de manipulat este diferită de la un ciclu de lucru la altul, inerţiile reduse la arborele motor fiind dependente de poziţiile succesisve ale braţelor robotului. Astfel, pentru urmărirea rapidă şi precisă a legii teoretice de mişcare cu parametri specificaţi, sunt necesare sisteme de comandă autoadaptive, care să ajusteaze în timp real parametri de comandă prin bucle de reacţie.

Comenzile în poziţie, frecvent întâlnite în practică, implică următoarele tipuri de legi de mişcare:

- cu acceleraţii constante, în cazul mişcărilor lente, deoarece supraîncărcările dinamice nu sunt semnificative;

- cu acceleraţii liniare, pentru diminuarea amplitudinilor mişcărilor vibratorii care stau la originea impreciziilor de poziţionare şi a suprasarcinilor dinamice periculoase;

- cu acceleraţii neliniare polinomiale, cicloidale sau trigonometrice, pentru viteze mărite de poziţionare.

În cazul în care distanţa de parcurs este impusă (cunoscută), se pot întâlni două tipuri de probleme:

- determinarea duratei de mişcare cunoscând caracteristicile de acţionare;

- determinarea parametrilor de acţionare (acceleraţie şi viteză) necesari pentru efectuarea mişcării în intervale de timp date.

Caracterstici mecanice de tip sarcină-viteză

Sarcina rezistentă (forţă sau moment) din subsistemul antrenat, necesar a fi învinsă de subsistemul de antrenare, este variabilă cu viteza prin dependenţe de forma F_r = F_r(v_r), pentru cazul subsistemului cu mişcare de translaţie, sau M_r = M_r(ω_r), când mişcarea acestuia este de rotaţie, numite caracteristici mecanice de tip forţă-viteză liniară sau, respectiv moment-viteză unghiulară. Uneori, pornid de la aceste caracteristici, descrierea comportării subsistemului antrenat se poate face şi prin dependenţa putere-viteză P_r(v_r) = v_r F_r(v_r) sau respectiv P_r(ω_r) = ω_r M_r(ω_r). Funcţiile asociate diverselor caracteristici sarcină-viteză şi putere-viteză, posibil a fi întâlnite în practică sau a fi considerate pentru calcul, sunt prezentate în tabelul 1. În fig. 2,a şi b se prezintă aluri ale graficelor asociate caracteristicilor sarcină-viteză şi, respectiv, putere-viteză din tab. 2, numărul asociat acestora fiind în corespondenţă cu numărul curent din tabel. Valorile constantelor a…f associate funcțiilor caracteristice se determiă în funcţie de tipul, structura şi dimensiunile subsistemului antrenat.

Fig. 2 Caracteristicile mecanice de tip sarcină-viteză şi putere-viteză

Tab. 1