Приводы мехатронных систем. 
Способы управления МС. Классификация приводов

Привод, как известно, включает, прежде всего, двигатель и устройство управления им. Кроме того, в состав привода могут входить различные механизмы для передачи и преобразования движения (редукторы, преобразователи вращательного движения в поступательное и наоборот), тормоз и муфта.

К приводам, применяемым в МС, предъявляют весьма жесткие специфические требования. В связи с необходимостью встраивания приводов в рабочие органы МС — в манипуляторы и системы передвижения — габариты и масса приводов должны быть минимальными. Приводы в МС работают в основном в неустановившихся режимах и с переменной нагрузкой. При этом переходные процессы в них должны быть практически неколебательными. Важными параметрами приводов МС являются также надежность, стоимость, удобство эксплуатации. Требования, предъявляемые к их способу управления, быстродействию и точности, непосредственно определяются соответствующими требованиями к МС в целом. В частности, обычно требуется, чтобы скорость поступательного движения на выходе приводов МС в среднем составляла от долей до нескольких м/с при погрешности отработки перемещения, равной долям миллиметра.

В МС нашли применение практически все известные типы приводов: электрические, гидравлические и пневматические; с поступательным и вращательным движением; регулируемые (по положению и скорости) и нерегулируемые; замкнутые (с обратной связью) и разомкнутые; непрерывного и дискретного действия (в том числе шаговые).

На рис. 1 приведена типовая схема привода манипулятора. Наряду с общей обратной связью по положению в схеме имеется обратная связь по скорости, которая играет роль корректирующей гибкой обратной связи и часто, кроме того, служит для управления скоростью. В тех случаях, когда механизм М является редуктором и понижает скорость, датчик скорости ставится не как показано на рисунке, а на выходе двигателя перед механизмом, чтобы увеличить снимаемый с датчика сигнал по скорости. Устройство управления может быть непрерывного действия, релейным, импульсивным или цифровым.

Д — двигатель; М — механизм передачи и преобразования перемещения; ДП, ДС — датчики положения и скорости; УУП1, УУП2 — составные части устройства управления УУП Применение пневматических приводов в МС объясняется их дешевизной, простотой и соответственно надежностью. Правда, эти приводы плохо управляемы и поэтому используются в основном как нерегулируемые с цикловым управлением. Пневматические приводы применяют только в роботах небольшой грузоподъемности — до 10 кг, реже 20 кг.

Гидравлические приводы наиболее сложны и дороги по сравнению с пневматическими и электрическими. Однако при мощности 500—1000 Вт и выше они обладают наилучшими массогабаритными характеристиками и поэтому являются основным типом привода для тяжелых и сверхтяжелых МС. Гидравлические приводы хорошо управляются, поэтому они нашли также применение в МС средней грузоподъемности, для которых требуются высококачественные динамические характеристики.

Электрический привод, несмотря на его хорошую управляемость, простоту подвода энергии, больший к.п.д. и удобство эксплуатации имеет худшие массогабаритные характеристики, чем пневматический и гидравлический приводы. Прогрессивное увеличение в последние годы доли электромеханических МС в общем парке мехатронных устройств в мире вызвано быстрым прогрессом в создании новых типов электрических двигателей, изначально предназначенных для роботов и позволяющих создавать более компактные комплектные приводы всех требуемых типов. На сегодня основная область применения электрических приводов в мехатронике — это устройства средней грузоподъемности (десятки килограмм), легкие МС с высококачественным управлением и мобильные роботы.

Для иллюстрации сказанного на рис. 2 и 3 приведены обобщенные сравнительные характеристики различных типов приводов по удельной мощности и стоимости. При расчете удельной мощности пневмоприводов учитывалась масса аппаратуры подготовки воздуха, гидроприводов — масса гидростанции, которые входят в конструкцию МС.

Рис. 2. Удельная мощность (отнесенная к весу) электрических (Э), гидравлических (Г) и пневматических (П) приводов в зависимости от их абсолютной мощности

Рис. 3 Удельная стоимость электрических (Э), гидравлических (Г) и пневматических (П) приводов в зависимости от их мощности

Способы управления МС. В мехатронике существуют 3 задачи управления: управление манипуляторами, системой передвижения и совместное управление группой мехатронных устройств. Применяемые для решения этих задач способы управления можно классифицировать следующим образом.

По степени участия человека в процессе управления существуют системы:

автоматического;

автоматизированного;

ручного управления.

По типу алгоритма автоматического управления различают системы:

программного;

адаптивного;

интеллектуального управления.

По типу движения существуют системы управления:

непрерывные (контурные);

дискретные позиционные (шагами «от точки к точке»);

• * дискретные цикловые (с одним шагом по каждой координате).
• (В отечественной литературе дискретное позиционное управление часто называется просто позиционным.)

По виду управляемых переменных различают системы управления:

положением (позицией);

скоростью;

силой (моментом);

Применительно к управлению манипуляторами эти способы означают управление абсолютными координатами его рабочего органа хР, его скоростью хр и силой QP.

Часто перечисленные способы управления применяются в комбинации одновременно по разным координатам, в виде некоторой функциональной зависимости одной управляемой переменной от другой или путем последовательного перехода от одного способа управления к другому.

манипулятор пневматический привод.