Istnieją cztery główne elementy robotów przemysłowych, którymi są korpus, serwo, reduktor i sterownik. Wśród nich ogólna struktura elektrycznego układu serwo robotów przemysłowych obejmuje trzy-sterowanie w zamkniętej pętli, tj. pętlę prądową, pętlę prędkości i pętlę położenia. Ogólnie rzecz biorąc, w przypadku serwonapędu AC sterowanie położeniem, sterowanie prędkością, sterowanie momentem i inne funkcje mogą być realizowane poprzez ręczne ustawienie jego wewnętrznych parametrów funkcyjnych.
Serwosystem (serwomechanizm), znany również jako następujący system, to system kontroli ze sprzężeniem zwrotnym używany do dokładnego śledzenia lub odtwarzania procesu. System serwo sprawia, że położenie obiektu, jego orientacja, stan i inne wielkości kontrolowane na wyjściu mogą podążać za zadaną wartością wejściową (lub zadaną wartością) dowolnej zmiany w systemie automatycznego sterowania.
System serwo to produkt opracowany w oparciu o technologię konwersji częstotliwości i jest to automatyczny system sterowania, którego przedmiotem sterowania jest mechaniczne położenie lub kąt. Oprócz kontroli prędkości i momentu obrotowego, serwosystem może również wykonywać precyzyjną, szybką i stabilną kontrolę położenia.
Szeroki system serwo to system sterowania, który dokładnie śledzi lub odtwarza dany proces i można go również nazwać systemem nadążnym.
Wąski układ serwo, znany również jako układ śledzenia położenia, kontrolowana ilość (wielkość wyjściowa) to przemieszczenie liniowe lub przemieszczenie kątowe przestrzennego położenia załadowanej maszyny, gdy położenie danej wielkości (wielkości wejściowej) przy dowolnej zmianie, głównym zadaniem systemu jest szybkie i dokładne odtworzenie zadanej ilości zmiany wielkości wyjściowej.
Mechatroniczny system sterowania serwomechanizmem ma szeroką gamę struktur i typów, ale z punktu widzenia teorii automatycznego sterowania do analizy system sterowania serwo zazwyczaj obejmuje sterownik, kontrolowany obiekt, łącze wykonawcze, łącze wykrywające, łącze porównawcze i inne pięć części.
1. Link porównawczy
Łącze porównawcze to sygnał polecenia wejściowego i porównanie sygnału sprzężenia zwrotnego systemu w celu uzyskania łącza sygnału odchylenia sygnału wyjściowego i wejściowego, zwykle realizowanego za pomocą specjalnego obwodu lub komputera.
2. Kontroler
Sterownikiem jest zazwyczaj komputer lub obwód sterujący PID (proporcjonalny, całkujący i różnicowy), którego głównym zadaniem jest przekształcenie sygnału odchylenia wyjściowego z elementu porównawczego, w celu wysterowania elementu wykonawczego zgodnie z wymaganym działaniem.
3. Link do wykonania
Rola łącza wykonawczego polega na spełnieniu wymagań sygnału sterującego, wprowadzaniu różnych form energii w energię mechaniczną, napędzaniu pracy kontrolowanego obiektu. Systemy mechatroniczne w realizacji elementów ogólnie odnoszą się do różnych silników hydraulicznych lub pneumatycznych serwomechanizmów.
4. Obiekt kontrolowany
Obiekt kontrolowany odnosi się do obiektu, który ma być kontrolowany, takiego jak mechaniczne ramię lub mechaniczna platforma robocza.
5. Wykrywanie
Łącze detekcyjne odnosi się do sygnału wyjściowego, który można zmierzyć i przekształcić w łącze porównawcze wymagane dla zarysu urządzenia, zazwyczaj obejmującego czujniki i obwody przetwarzające.
Cechy i funkcje układu serwo
System serwo i ogólny system podawania obrabiarki różnią się zasadniczo, może opierać się na sygnale sterującym, aby dokładnie kontrolować prędkość i położenie ruchu części wykonawczej. Serwosystem jest łącznikiem pomiędzy urządzeniem CNC a obrabiarką i jest ważnym elementem systemu CNC o następujących cechach:
Musi być wyposażony w-precyzyjne czujniki, które mogą dokładnie dawać sygnały elektryczne dotyczące wielkości wyjściowej.
Wzmacniacz mocy i układ sterowania muszą być odwracalne.
Wystarczająco duży zakres prędkości i wystarczająco duża-prędkość przy obciążeniu.
Możliwość szybkiego reagowania i silne-zakłócenia.
Rodzaje serwomechanizmów Zgodnie z zasadą sterowania: pętla otwarta-, pętla zamknięta-i pętla pół-zamknięta-w trzech postaciach
W zależności od charakteru kontrolowanej wielkości: przemieszczenie, prędkość, siła i moment obrotowy oraz inne formy układów serwo
W zależności od trybu jazdy: istnieją serwonapędy elektryczne, hydrauliczne i pneumatyczne
Według elementu wykonawczego: występuje serwo silnika krokowego, serwo silnika prądu stałego i serwo silnika prądu przemiennego
Siłowniki układu serwo
1, rodzaje siłowników i ich charakterystyki
(1) Siłowniki elektryczne
Do siłowników elektrycznych zaliczają się serwomotory prądu stałego (DC), serwomotory prądu przemiennego (AC), silniki krokowe i solenoidy, które są najczęściej używanymi siłownikami. Serwosilniki są najczęściej stosowanymi siłownikami. Oprócz wymogu płynnej pracy, ogólnie wymaga się od nich dobrych parametrów dynamicznych, odpowiednich do częstego użytkowania i łatwej konserwacji.
(2) Siłowniki hydrauliczne
Siłowniki hydrauliczne obejmują głównie cylindry posuwisto-zwrotne, cylindry obrotowe, silniki hydrauliczne itp., Z których cylindry są najczęstsze. W przypadku tej samej mocy wyjściowej elementy hydrauliczne mają niewielką wagę, dobrą prędkość i tak dalej.
(3) Siłowniki pneumatyczne
Siłowniki pneumatyczne oprócz sprężonego powietrza jako czynnika roboczego i siłowniki hydrauliczne nie różnią się od siebie. Napęd pneumatyczny może uzyskać większą siłę napędową, skok i prędkość, ale ze względu na słabą lepkość powietrza i ściśliwość, więc nie można go stosować w przypadku wymagań dotyczących dokładności pozycjonowania przy dużych okazjach.
Różnice pomiędzy trzema typami
| typ | specyfika | przewaga | wady |
| Elektropneumatyczne | Dostępny komercyjny zasilacz; sygnały są przesyłane w tym samym kierunku co moc; istnieje różnica między prądem przemiennym i stałym; zwróć uwagę na używane napięcie i moc. | Łatwy w obsłudze; łatwy w programowaniu; może realizować sterowanie serwomechanizmem pozycjonowania; szybka reakcja, łatwe połączenie z komputerem (CPU); mały rozmiar, duża moc, brak zanieczyszczeń. | Wysoka chwilowa moc wyjściowa; słabe przeciążenie; po zakleszczeniu spowoduje wypadki związane z poparzeniami; pod wpływem hałasu zewnętrznego. |
| Pneumatyczny | Ciśnienie źródła ciśnienia gazu 5~7×Mpa; wymagani są wykwalifikowani operatorzy. | Wygodne źródło gazu, niski koszt; brak wycieków powodujących zanieczyszczenie środowiska; szybki i łatwy w obsłudze. | Mała moc, duży rozmiar, trudny do miniaturyzacji; niepłynny ruch, trudny do przenoszenia na duże odległości; wysoki poziom hałasu; trudne do serwowania. |
| Hydrauliczny | Ciśnienie źródła ciśnienia cieczy 20~80×Mpa; wymaga wykwalifikowanych operatorów. | Wysoka moc wyjściowa, duża prędkość, płynny ruch, mogą realizować sterowanie serwomechanizmem pozycjonowania; łatwe połączenie z komputerem (CPU). | Sprzęt jest trudny do miniaturyzacji; wymagania dotyczące źródła oleju hydraulicznego i oleju hydraulicznego są surowe; łatwo powodować wycieki i zanieczyszczać środowisko. |
2. Powszechnie stosowane silniki sterujące
Silnik sterujący jest elementem mocy elektrycznego układu sterowania serwomechanizmem. Jest to urządzenie do konwersji energii, które przekształca energię elektryczną w energię mechaniczną. Silniki sterujące powszechnie stosowane w produktach mechatronicznych to serwomotory, które mogą zapewnić prawidłowy ruch lub bardziej złożone działanie.
Do sterowania służą obrotowe i liniowe silniki napędowe, które są sterowane napięciem, prądem i częstotliwością (w tym impulsem sterującym) w celu realizacji napędu o stałej-, zmiennej- prędkości lub napędu przyrostowego z wielokrotnym uruchamianiem i zatrzymywaniem, a także napędu złożonego, a precyzja napędu różni się w zależności od obiektu napędu.
(1) Serwosilnik ogólnie odnosi się do: silnika krokowego (silnik krokowy), serwomotoru prądu stałego (serwosilnik DC), serwosilnika AC (serwosilnik AC)
(2) powszechnie stosowane metody sterowania silnikiem serwo to: sterowanie w-pętli otwartej, sterowanie w pętli pół-zamkniętej-, sterowanie w-pętli zamkniętej, trzecia.
Układ napędowy-z zamkniętą pętlą z łączem ze sprzężeniem zwrotnym dotyczącym położenia (lub prędkości); system otwartej-pętli nie ma łącza do sprzężenia zwrotnego położenia i prędkości.
a system CNC z otwartą-pętlą nie ma urządzenia do pomiaru położenia, przepływ sygnału jest jednokierunkowy (urządzenie CNC → system podawania), więc stabilność systemu jest dobra.
Bez sprzężenia zwrotnego położenia dokładność nie jest wysoka w porównaniu z systemem-z zamkniętą pętlą, a jej dokładność zależy głównie od wydajności i dokładności układu serwonapędu i mechanicznego mechanizmu przekładni. Ogólnie rzecz biorąc, jako element napędowy serwa należy przyjąć silnik krokowy mocy.
Ten rodzaj systemu ma zalety prostej konstrukcji, stabilnej pracy, łatwego debugowania, prostej konserwacji, niskiej ceny itp., ponieważ wymagania dotyczące precyzji i prędkości nie są wysokie, moment napędowy nie jest duży, okazje są powszechnie stosowane. Powszechnie stosowane w ekonomicznych obrabiarkach CNC.
b, pół-zamknięta-pętla systemu CNC pół-zamknięta-pętla systemu CNC, punkt próbkowania położenia, jak pokazano na rysunku, z napędu (powszechnie używany serwosilnik) lub śruby pociągowej, próbkowanie wykrywania kąta obrotu, a nie bezpośrednie wykrywanie rzeczywistego położenia ruchomych części.
Pętla-z pętlą półzamkniętą nie zawiera lub zawiera tylko niewielką liczbę mechanicznych ogniw transmisyjnych, dzięki czemu można uzyskać stabilną wydajność sterowania, przy czym stabilność systemu nie jest tak dobra jak w przypadku systemu z otwartą pętlą, ale lepsza niż w przypadku pętli zamkniętej. Ze względu na błąd skoku śruby i błąd ruchu spowodowany przerwą w przekładni jest trudny do wyeliminowania. Dlatego jego dokładność jest gorsza niż w pętli zamkniętej i lepsza niż w pętli otwartej. Błędy te można jednak skompensować i dzięki temu nadal można uzyskać zadowalającą dokładność.
Struktura systemu CNC z-zamkniętą-pętlą{1}}jest prosta, łatwa do debugowania i charakteryzuje się dużą precyzją, dlatego jest szeroko stosowana w nowoczesnych obrabiarkach CNC.
c, system sterowania numerycznego z pętlą całkowicie zamkniętą-pętla całkowicie zamknięta-system sterowania numerycznego z pętlą zamkniętą, punkt próbkowania położenia, jak pokazano na rysunku linią przerywaną, bezpośrednio w miejscu rzeczywistego wykrywania ruchomych części.
Teoretycznie może wyeliminować błąd, luz i utratę ruchu całego układu napędowego i przekładni. Charakteryzuje się wysoką dokładnością kontroli położenia. Ponieważ charakterystyka tarcia, sztywność i luz wielu mechanicznych ogniw przekładni w pętli położenia są nieliniowe, łatwo jest spowodować niestabilność systemu, co znacznie utrudnia projektowanie, instalację i uruchomienie systemu z pętlą zamkniętą-.
System jest stosowany głównie w wytaczarkach i frezarkach, ultra-tokarkach precyzyjnych, ultra-szlifierkach precyzyjnych i większych obrabiarkach CNC o wysokich wymaganiach dotyczących precyzji.
Systemy serwo dla robotów
Zazwyczaj przez system serwo robota rozumiemy precyzyjny system serwo używany do wieloosiowego-sterowania ruchem. Wielo-osiowy system sterowania ruchem składa się ze sterownika ruchu- wysokiego poziomu i serwonapędu-niskiego rzędu. Kontroler ruchu jest odpowiedzialny za dekodowanie poleceń sterowania ruchem, względny ruch różnych osi sterowania położeniem, sterowanie konturem przyspieszania i zwalniania itp., a jego główną rolą jest zmniejszenie ogólnego błędu ścieżki sterowania ruchem systemu; serwonapęd odpowiada za kontrolę położenia serwomotorów, a jego główną rolą jest zmniejszenie błędu śledzenia osi serwa. Serwonapęd odpowiada za kontrolę położenia serwosilnika, a jego główną rolą jest redukcja błędu podążania osi serwa.
System serwo robota składa się z serwomotorów, serwonapędów, mechanizmu sterującego trzech głównych elementów, serwomotory to siłowniki, na których polega realizacja ruchu, serwonapęd to zasilanie serwosilnika, mechanizm sterujący ma wysyłać impuls lub zapewniać prędkość używaną do współpracy z serwonapędem, aby działała prawidłowo.
Robot w stosunku do serwomotoru ma wysokie wymagania w stosunku do pozostałych dwóch części. Przede wszystkim od serwomotoru wymagana jest szybka reakcja. Silnik od sygnału sterującego do wykonania instrukcji wymaganej przez stan pracy powinien być krótki. Reakcja na sygnał sterujący: im krótszy czas, tym wyższa czułość elektrycznego układu serwo, tym lepsza wydajność szybkiej reakcji, ogólnie rzecz biorąc, w odniesieniu do elektromechanicznej stałej czasowej wielkości serwomotoru, aby zilustrować wydajność szybkiej reakcji. Po drugie, stosunek bezwładności momentu rozruchowego serwomotoru powinien być duży. W przypadku przenoszenia obciążeń od serwomotoru robota wymagany jest duży moment rozruchowy i mały moment bezwładności. Wreszcie, serwomotor powinien mieć ciągłość i liniowość charakterystyki sterowania, wraz ze zmianą sygnału sterującego prędkość silnika można zmieniać w sposób ciągły, a czasami wymagana jest również, aby prędkość była proporcjonalna lub w przybliżeniu proporcjonalna do sygnału sterującego.
Oczywiście, aby dopasować się do kształtu ciała robota, serwomotor musi być niewielkich rozmiarów, małej masy i krótkiego wymiaru osiowego. Wytrzymują także trudne warunki pracy, mogą bardzo często pracować w przód i w tył oraz przyspieszać i zwalniać, a także wytrzymują kilkukrotne przeciążenia w krótkim czasie.
Serwonapęd to serwomotor, który może być używany do generowania momentu obrotowego i siły, bezpośrednio lub pośrednio napędzał korpus robota w celu uzyskania różnorodnych siłowników ruchu robota, z wysokim momentem bezwładności, bez szczotek i iskier komutacyjnych oraz innymi zaletami, w robocie jest szerzej stosowany.