Roboty a manipulátory Pohony RaM I. Katedra elektrotechniky a automatizace Technická fakulta, ČZU v Praze Miloslav Linda Michal Růžička Vladislav Bezouška

Pohony PRaM Funkcí pohonu manipulátoru i průmyslového robotu je přeměna vstupní - primární energie na mechanický pohyb. Pohon je tvořen motorem, který zprostředkovává tuto přeměnu, blokem pro ovládání energie do motoru a spojovacím blokem, který zprostředkovává vazbu mezi výstupem motoru a pohyblivou částí pohybové jednotky. Pohyb z výstupu motoru se na výstup pohybové jednotky přenáší buď přímo nebo přes transformační blok.

Motory robotů, požadavky plynulý rozběh a brzdění vysoká přesnost polohování dostatečná polohová tuhost minimální hmotnost minimální moment setrvačnosti vysoký měrný výkon minimální rozměry vhodné tvarové a prostorové uspořádání

Motory robotů, požadavky Plynulý rozběh a brzdění bezpečnost držení přenášeného objektu vyloučení kmitání pracovních hlavic kolem konečné polohy při pohybu s rázy je nepříznivější namáhání konstrukce a dochází k jejímu rychlejšímu opotřebení to se projevuje ve snížení spolehlivosti a životnosti zařízení.

Motory robotů, požadavky Vysoká přesnost polohování Přesnost polohování pracovní hlavice je závislá vedle kinematické struktury a tuhosti její realizace na přesnosti ovládání pohonu a na způsobu registrace polohy 1. řízení pohybu bez zpětné vazby - otevřený systém 2. řízení pohybu se zpětnou vazbou - uzavřený systém

Motory robotů, požadavky Dostatečná polohová tuhost Charakteristickou vlastností činnosti pohybových jednotek manipulátorů a robotů jsou přetržité vratné pohyby. Od pohonu pohybové jednotky, která je v klidu, se požaduje udržení dosažené polohy i při působení vnějších sil do určité úrovně. Polohovou tuhostí se potom rozumí schopnost pohonu udržet dosaženou polohu.

Motory robotů, požadavky Minimální hmotnost Hmotnost pohonu ovlivňuje celkovou hmotnost pohybové jednotky. U sériových koncepcí kinematických struktur, kdy pohony mohou být umístěny přímo v prostoru jednotlivých pohybových jednotek ovlivňuje hmotnost pohonů dynamické chování celé konstrukce manipulátoru nebo robotu.

Motory robotů, požadavky Minimální rozměry Minimální rozměry pohonu souvisí jednak s předcházejícím požadavkem na minimální hmotnost a jednak s vytvořením předpokladů pro dosažení co nejlepších manipulačních vlastností. V druhém případě jde o problém překrývání pracovního prostoru manipulátoru nebo robotu částmi jeho konstrukce.

Motory robotů, požadavky Vhodné prostorové uspořádání Vhodné prostorové uspořádání pohonu ovlivňuje celkové uspořádání konstrukce manipulátoru nebo robotu a tím se podílí na pracovních možnostech celé konstrukce ve vztahu k úrovni schopností pro činnost v prostoru s překážkami apod.

Požadavky Příklad obvyklých parametrů v = 5m/s w = 3-8rad/s J = 5.10-5kg/m2 m =0,5 až 5kg M = 70Nm Přesnost poloh.= 0,01mm Tuhost = 30000Nm/rad

Co se rozumí pod pojmem POHON ? Funkční celek Řízení OVL Motor Trnansform. blok Vedení Snímače Různé varianty uspořádání Primární energie M S B T

Základní rozdělení podle primární energie Mechanický Elektrický Hydraulický Pneumatický Kombinovaný

Základní rozdělení podle typu pohybu Rotační Přímočaré Kyvné

Druhy pohonů Současný stav: 1.Stejnosměrné motory 2.Trojfázové servomotory 3.Hydraulické – extremně těžké zátěže 4.Pneumatické – jednoduché manipulátory

Mechanický pohon Odvozuje svůj pohyb z jiného zdroje V podstatě se jedná o mechanický transformační blok Vačky Pákové mechanizmy Šablony Páky Řetězy Variátory Ozubená kola Hřebeny

Harmonická převodovka n2 – počet zubů pružného prstence n3 – poč. zubů prstence s vnitř. ozub. 1:100

Hydraulický pohon Hydraulické i pneumatické pohony pracují s podobným druhem média, někdy se proto označují jako tekutinové. Z rozdílných fyzikálních vlastností kapalin a plynů se na rozdílných vlastnostech mechanismů podílí především různá poddajnost a viskozita. Jako pracovní kapaliny se v hydraulických mechanismech používají minerální oleje, pracovním médiem pneumatického pohonu je stlačený vzduch.

Hydraulický pohon Výhody: Nevýhody: Obvykle nepotřebují transformační blok Snadná realizace přímočarého pohybu Jednoduché řízení Velká tuhost Plynulý a rovnoměrný chod Velká účinnost Nevýhody: Potřeba samostatného energetického bloku Problém s realizací vyšších rychlostí Závislost viskozity média na teplotě Ekologie

Rozdělení a použití tekutinových mechanismů obráběcí stroje 14% stroje pro hutě a na tváření 12% stroje na pryž a plasty 7 % stavební stroje a stavebnictví 30% silniční, komunální a kolejová vozidla 11% zemědělské a lesnické stroje 6% dopravní stroje a zařízení 5% různé (lodě aj.) 15%

Základní pojmy podle ISO 5598 Hydrostatika věda a technika, zabývající se zákony ovládajícími rovnovážné podmínky v kapalině a z toho plynoucí rozdělení tlaku přímočarý i rotační pohyb velký tlak – až 45 MPa malý průtok –do 10 l/s

Základní pojmy podle ISO 5598 Hydrodynamika věda a technika, zabývající se zákony, kterými se řídí pohyb kapalin a síly působící proti tomuto pohybu rotační pohyb – pohon pojezdu malý tlak – do 1 až 2 MPa velký průtok

Grafické značky podle ČSN ISO 1219 -1

Grafické značky podle ČSN ISO 1219 -1

Grafické značky podle ČSN ISO 1219 -1

Grafické značky podle ČSN ISO 1219 -1

Úkol kapalin pro hydraulická zařízení přenos tlakovéenergiez místa výroby (čerpadla) k místu spotřebya přeměny na mechanickou energii (hydromotor) mazánípohyblivých vnitřních částí(kluznéplochy pístů, šoupátek aj.) ochrana proti korozi přenos signálůtlakovými vlnami odvod nečistot, otěru, vody a vzduchu odvod tepla(chlazení) zejména z míst s velkým vývinem tepla.

Hydraulické prvky hydraulické převodníky prvky pro hrazení průtoku čerpadla a hydromotory prvky pro hrazení průtoku jednosměrné (zpětné) ventily, hydraulické zámky a rozváděče prvky pro řízení průtoku škrticí ventily a děliče průtoku prvky pro řízení tlaku tlakové, pojistné, přepouštěcí a redukční ventily zásobníky a multiplikátory nádrž, akumulátor prvky pro vedení, těsnění, čištění a chlazení kapaliny potrubí, hadice, spoje, šroubení, filtry aj.

Čerpadla určují velikost průtoku podle jeho geometrického objemu a frekvence otáčení musí překonat tlak, pokud někde v obvodu vznikne určují velikost tlaku – u hydromotorů podle jeho geometrického objemu a točivého momentu nebo síly pístnice mění mechanickou práci na proud kapaliny o určitém tlaku

Rozdělení čerpadel

Zubová čerpadla S vnějším ozubením S vnitřním ozubením

Zubová čerpadla s vnějším ozubením

Zubová čerpadla geometrický objem 2,5 až 250 cm3 tlak6,3 až 25MPa frekvence otáčení 1000 až 4000 min-1 celková účinnost 0,8 až 0,85 pouze neregulační typ většinou evolventní ozubení čerpadla-bronzová pouzdra􀂋 hydromotory-ložiska jehlová axiální vyvážení při provozním tlaku 10 až 25 MPa radiální vyvážení

Zubová čerpadla s vnitřním ozubením

Zubová čerpadla s vnitřním ozubením

Zubová čerpadla geometrický objem 2,5 až 250 cm3 tlak6,3 až 25MPa frekvence otáčení 1000 až 4000 min-1 celková účinnost 0,8 až 0,85 pouze neregulační typ pozvolnější plnění a vyprazdňování zubových mezer malé pulzace srovnatelné s pístovými axiálními převodníky nízká hlučnost

Lamelová čerpadla s lamelami vedenými v rotoru s lamelami vedenými ve statoru s lamelami pevnými

Lamelová čerpadla s lamelami vedenými v rotoru - nevyvážené

Lamelová čerpadla s lamelami vedenými v rotoru - nevyvážené

Lamelová čerpadla s lamelami vedenými v rotoru - vyvážené

Lamelová čerpadla Lamely v rotoru Lamely ve statoru (rollmotor) geometrický objem 2,5 až 250cm3 tlak6,3 až 25MPa frekvence otáčení 1000 až 4000 min-1 celková účinnost 0,65 až 0,85 Lamely ve statoru (rollmotor) geometrický objem 10 až 1600cm3 tlak10 až 32MPa frekvence otáčení 1 až 2000 min-1 celková účinnost 0,85 až 0,9

Axiální čerpadla podle spojení píst/výstupní hřídel s nakloněnou deskou bez ojnic s nakloněným blokem válců a s ojnicemi podle uložení válců s rotujícím blokem se stojícím blokem podle orientace válců s přímou osou rotace s lomenou osou rotace s válci na kuželové ploše

Pístové axiální čerpadlo neregulační s nakloněnou deskou

Axiální čerpadla geometrický objem 16 až630cm3 tlak 4 až35 MPa(45) frekvence otáčení 600 až 6000 min-1 vysoká celková účinnost 0,85 až 0,92 malá měrná hmotnost na jednotku přenášeného výkonu při lichém počtu pístů rovnoměrný tlak a průtok bez pulzací

Pístové axiální čerpadlo neregulační s nakloněným blokem

Axiální čerpadla geometrický objem 16 až630cm3 tlak 16 až35 MPa(45) frekvence otáčení 600 až 6000 min-1 vysoká celková účinnost 0,85 až 0,92 nemožnost průchozího hřídele (pohon jiných částí)

Pístové axiální čerpadlo regulační

Axiální čerpadla geometrický objemaž 750 cm3􀂋tlak 35 (45) MPa regulační ve velkém rozsahu regulace průtoku vyšší hlučnost citlivé na nečistoty a provozní podmínky sklon desky cca 18º, v některých případech až 45º vyšší cena

Radiální čerpadla – pístová s válci v rotoru

Radiální čerpadla – pístová s válci ve statoru

Radiální čerpadla – pístová s válci v rotoru

Pístové radiální čerpadlo Jeden zdvih na otáčku geometrický objem 6,3 až400cm3 tlak 16 až40MPa frekv. otáčení 600 až 3000 min-1 celková účinnost 0,85 až 0,92 Křivkový geometrický objem 63 až6300cm3 tlak 10 až32MPa frekv. otáčení 10 až 600 min-1 celková účinnost 0,8 až 0,9 pro otevřené i uzavřené obvodyJeden

Řadová čerpadla geometrický objem 2,5 až1000cm3 tlak 2,5 až20MPa frekv. otáčení 1000 až 4000 min-1 celková účinnost 0,8 až 0,85 průtok téměř bez pulzací nízká hlučnost Neregulační 1 vřeteno (do 4 MPa, max. 10 MPa), 0,2 MPa/stoupání více vřeten (max. 16 MPa)1,5 MPa/stoupání

Rozdělení hydromotorů Přímočaré hydromotory jednočinné, dvojčinné jednostranné, oboustranné jednostupňové, vícestupňové Rotační hydromotory zubové pístové –axiální, radiální Kývavé

Hydromotory lineární

Hydromotory lineární

Hydromotory rotační - pístové

Kývavý hydromotor

Pojistné tlakové ventily Jistí hydraulický obvod proti přetížení. V činnosti pouze při vzrůstu tlaku. Musí mít malé překmity tlaku (10 až 20 %), rychlou časovou reakci (20 ms), vysokou stabilitu, vysokou přesnost při uzavření. Jsou nastaveny na tlak min. o 20 % více než max. provozní tlak.

Pojistné tlakové ventily Kuželka se používá pro tlaky do 32 MPa. Kulička se používá pro tlaky do 63 MPa. Pro průtok do 60 l/min.

Regulátory rychlosti v jednom směru

Rozváděče - šoupátkové

Rozváděče - šoupátkové

Možnosti zapojení rozváděčů Paralelní Tandemové Sériové

Realizace logických funkcí

Jehlový škrtící ventil

Dělič průtoku

Čističe Drátěnésíto Spárovépletivo Štěrbinovátrubice Papírovávlákna Papírová vlákna impregnovaná Fenolovou pryskyřicí Skleněnávlákna Kovovávlákna slinutémateriály

Otevřený hydraulický obvod

Ovládání hydraulických motorů

Příklad nasazení hydraulického pohonu

Literatura [1] Schmid D. a kol.: Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku. Europa Sobotáles.Praha, 2005. [2] Talácko J., Matička R.: Konstrukce průmyslových robotů a manipulátorů. ČVUT. 1995. [3] Chvála B., Nedbal J., Dunay G.: Automatizace. SNTL/ALFA. Praha , 1985. [4] Novotný R.: Talácko J.: Pneumatické a hydraulické systémy pro automatizaci. Automa, č.1, 2002.

Závěr

Děkuji za pozornost