ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к классу мехатронных изделий, со встроенными электронной схемой (контроллером) управления, электродвигателем, редуктором, датчиками и может быть использована в робототехнике общепромышленного и специального назначения с системами управления по моменту.
Известен электродвигатель со встроенным редуктором [патент РФ №2027283]. Он содержит подвижную и неподвижную части корпуса, встроенные бесконтактный электродвигатель постоянного тока, редуктор, роторы датчиков на входном и выходном валах, электрические схемы управления двигателем, электрические кабели с разъемами, подшипники, крепежные изделия.
Недостатком электродвигателя со встроенным редуктором является отсутствие датчика крутящего момента, не позволяющее его использование в системах управления приводом по моменту, невозможность выполнения технологических операций, связанных с регулировкой выходного момента, невозможность ограничения опасных моментов при контроле столкновений рабочего органа с препятствиями, невозможность поддержания заданного температурного режима из-за отсутствия датчиков температуры и нагревательных элементов; невозможность широкого использования электродвигателя для создания многозвенных, различной конфигурации роботов, нестабильность показаний датчиков из-за необходимости их разборки для доступа к электрической схеме.
За прототип выбран электромеханический модуль, патент на полезную модель №94776 от 27 мая 2010 г., состоящий из неподвижного и подвижного корпусов, содержащий встроенный волновой редуктор и низкооборотный бесконтактный моментный двигатель постоянного тока, статор двигателя, расположенный в корпусе полого стакана неподвижной части редуктора, ротор двигателя установленный на полом входном валу редуктора, расположенном коаксиально выходному валу, фланец на торце выходного вала, входной вал редуктора через кулачково-дисковую муфту соединен с кулачком, который через гибкие подшипники соединен с гибким зубчатым колесом, входящим в зацепление с двумя жесткими зубчатыми колесами, одно из которых соединено с неподвижным корпусом модуля, а другое, через фланец - с подвижным корпусом модуля. Модуль содержит входной и выходной фланцы квадратной формы с разъемами, выходной имеет четыре шпильки по углам, на оси которых установлены четыре центрирующие втулки, а входной имеет четыре отверстия и, соосно, четыре центрирующие зенковки, также расположенные по углам, позволяющие стыковку с фланцем аналогичным выходному. Внутри выходного полого вала редуктора проложены провода питания и управления модулем, на конце выходного полого вала установлен кабелеукладчик из фторопластовой ленты, спирально уложенной вокруг выходного полого вала, между слоями лент уложены провода, один конец ленты кабелеукладчика закреплен на его неподвижном стакане, а другой - на выходном полом валу редуктора. Контроллер, закрытый крышкой, закреплен на неподвижном корпусе модуля и через разъем связан с электродвигателем и датчиками скорости, положения, ограничения угла поворота подвижного корпуса модуля, который установлен на неподвижном корпусе модуля, на входном валу редуктора расположен ротор датчика скорости вращения двигателя, на выходном полом валу редуктора расположен ротор датчика положения абсолютного отсчета угла поворота подвижного корпуса модуля.
Выходной фланец с разъемом может быть установлен на торце подвижного корпуса модуля, а входной фланец с разъемом - на торце неподвижного корпуса модуля. Выходной и входной фланцы с разъемами могут быть установлены соответственно на боковых поверхностях подвижной и неподвижной частей модуля.
К недостаткам можно отнести отсутствие датчика крутящего момента, что приводит к невозможности выполнения технологических операций, связанных с управлением приводом по моменту: регулировкой выходного момента, ограничением опасных моментов при контроле столкновений рабочего органа с препятствиями; невозможность поддержания заданного температурного режима внутри модуля и контроля температуры исполнительных элементов при работе в широком температурном диапазоне из-за отсутствия датчиков температуры и нагревательных элементов; продолжительное время стыковки модулей между собой из-за количества соединительных элементов, наличие ненадежного кабелеукладчика.
Задачами являются разработка конструктивно и функционально законченного электромеханического модуля, позволяющего создавать, переконфигурировать многозвенные робототехнические устройства как общепромышленного, так и специального назначения, повышение качества управления движением модуля за счет управления по моменту, путем введения обратной связи по моменту, измеряемому датчиком крутящего момента; повышение надежности, расширение температурного диапазона работы модуля путем введения датчиков контроля температуры, нагревательных элементов исполнительных устройств и датчика момента; ускорение процесса и повышение надежности сборки манипулятора из модулей путем применения конусно-фланцевого соединения и хомута.
Предложен электромеханический модуль-шарнир, состоящий из неподвижного и подвижного корпусов, выполненных из алюминиевого сплава, содержащий встроенный волновой редуктор чашечного типа и низкооборотный бесконтактный моментный двигатель постоянного тока, статор двигателя запрессован в неподвижном корпусе модуля, ротор двигателя жестко закреплен на полом входном валу редуктора из алюминиевого сплава, вращающемся на двух шарикоподшипниках, и расположенном соосно полому выходному валу редуктора, жестко связанному с подвижной частью корпуса модуля. Выходное гибкое колесо редуктора с помощью полого вала, соосного с выходным полым валом редуктора, жестко соединено с внутренним кольцом датчика крутящего момента, внешнее кольцо которого, жестко соединено с подвижной частью корпуса модуля. На гибких спицах датчика момента установлены тензорезисторы; датчик температуры, плата обработки информации от тензорезисторов закреплены на внешнем кольце. Полый выходной вал редуктора служит для прокладки питающего и информационного кабеля, который своими концами распаян к контроллеру привода, к входному и выходному электрическим соединителям модуля соответственно. Выходной вал одним концом соединен с подвижным корпусом модуля, другим - с ротором вращающегося трансформатора и, через безлюфтовую зубчатую передачу, связан с датчиком угла поворота подвижной части корпуса модуля на базе датчика Холла. Комбинация из вращающегося трансформатора и датчика угла Холла образует датчик высокой точности абсолютного отсчета угла поворота подвижной части корпуса модуля. Датчик положения, скорости ротора двигателя на эффекте Холла установлен на стойке напротив торца ротора. Контроллер управления приводом размещен в контейнере, расположенном на неподвижном корпусе модуля. Рядом с двигателем установлены датчик температуры и нагревательные элементы. Модули могут стыковаться между собой в произвольном порядке, причем электрически - через соединители врубного типа, механически - конусными фланцами, форма которых обеспечивает высокие осевые усилия стягивания модулей с помощью надеваемого вручную на фланцы хомута. Предварительная стыковка модулей и их выравнивание обеспечиваются ловителями типа штырь - конус. В случае вращательной модификации модуля, стыковочные фланцы закреплены на торцевых поверхностях подвижного и неподвижного корпусов с помощью винтов и штифтов. В случае качательной модификации стыковочные фланцы приварены на боковых поверхностях подвижных и неподвижных корпусов.
На фиг.1 изображен электромеханический модуль-шарнир вращательной модификации в разрезе. Модуль состоит из неподвижного 1 и подвижного 2 корпусов, выполненных из алюминиевого сплава. Подвижной корпус приводится в движение бесконтактным низкооборотным моментным электродвигателем постоянного тока 3 через волновой редуктор чашечного типа 4. Статор двигателя 5 запрессован в неподвижный корпус модуля, ротор двигателя 6 жестко закреплен на полом входном валу редуктора 7 из алюминиевого сплава, вращающемся на двух шарикоподшипниках 8, расположенном соосно полому выходному валу 9 подвижного корпуса, который служит для прокладки информационного и питающего кабеля 10 и соединенного с вращающимся трансформатором 11. Ротор двигателя соединен с генератором 12 волнового редуктора, который деформирует гибкое зубчатое колесо 13, входящее в зацепление с жестким колесом 14 редуктора. Момент с гибкого колеса через вал, соединенный с внутренним кольцом датчика крутящего момента 15, через упругие спицы 16 передается на внешнее кольцо датчика 17, жестко соединенное с подвижным корпусом модуля, воспринимающим внешнюю нагрузку. Обработка информации от тензорезисторов 18, закрепленных на упругих спицах датчика момента, и датчика температуры 19, осуществляется платой 20 датчика момента, электрически соединенной с контроллером привода 21. Информационный и питающий кабель подключен к контроллеру привода и к входному и выходному электрическим соединителям 22 неподвижного и подвижного корпусов, при этом, концевые части кабеля жестко прикреплены к корпусам. Кабель работает на скручивание в пределах одного оборота. Информация о положении подвижного корпуса относительно неподвижного снимается с датчика абсолютного отсчета, состоящего из вращающегося трансформатора, статор которого закреплен в неподвижном корпусе модуля, а ротор прикреплен выходному валу подвижного корпуса, и датчика угла 23 на базе датчика Холла, установленном в неподвижном корпусе, реагирующем на изменение магнитного поля при повороте магнита, размещенного на цилиндрическом зубчатом колесе безлюфтового измерительного редуктора 24 с передаточным отношением 1,05. В качестве датчика скорости и положения ротора двигателя 25 используется датчик Холла. Для контроля температуры внутри модуля рядом с двигателем установлен датчик температуры 26, а для поддержания заданной температуры предусмотрены нагревательные элементы 27.
Модули-шарниры стыкуются между собой конусными фланцами 28, причем, в произвольном порядке. Предварительная стыковка модулей и их выравнивание обеспечивается ловителями типа штырь 29 - конус 30.
На фиг.1 представлена вращательная модификация модуля, где стыковочные фланцы закреплены на торцевых поверхностях подвижного и неподвижного корпусов с помощью винтов и штифтов.
На фиг.2 представлена качательная модификация модуля, где стыковочные фланцы приварены на боковых поверхностях корпуса.
На фиг.3 представлена стыковка модулей между собой, причем, надежность стыковки модулей при сборке манипулятора обеспечивается высокими осевыми усилиями, достигаемыми конусной формой стыковочных фланцев и надеваемым на фланцы хомутом 31.
От компьютера (верхний уровень управления) команды управления, содержащие, задания по величине угла поворота, скорости подвижного корпуса модуля, току двигателя, величине крутящего момента через электрические соединители входного фланца, по CAN сети информационного кабеля поступают в микропроцессорный контроллер управления модулем. Контроллер, формируя широтно-импульсно модулированный сигнал (ШИМ), осуществляет управление скоростью электродвигателя, принимая и обрабатывая сигнал обратных связей по положению, скорости, току и моменту. Сигнал управления от контроллера поступает в статор двигателя, приводя во вращение ротор двигателя, от которого момент передается генератору, деформирующему гибкое зубчатое колесо волнового редуктора чашечного типа, входящее в зацепление с жестким колесом редуктора. Момент с гибкого колеса через вал, соединенный с внутренним кольцом датчика крутящего момента, через спицы передается на внешнее кольцо датчика, жестко соединенное с подвижным корпусом модуля, воспринимающим внешнюю нагрузку. Обработка информации от тензорезисторов, закрепленных на упругих спицах, чувствительных элементах датчика момента, датчика температуры, осуществляется платой датчика момента, преобразуется в цифровую форму и по последовательному каналу передается в контроллер управления приводом модуля. Информация о положении подвижного корпуса относительно неподвижного снимается с датчика абсолютного отсчета, а о скорости и положении ротора двигателя - с датчика Холла. Для контроля температуры двигателя используется датчик температуры, а для ускоренной установки рабочей температуры внутри модуля и предотвращения выхода из строя электроники, после хранения или паузы в работе модуля при отрицательной температуре, предусмотрены нагревательные элементы.
Задача улучшения качества управления движением модуля достигается установкой датчика измерения крутящего момента, при этом момент нагрузки измеряется более точно, непосредственно датчиком, минуя люфт и инерционность редуктора. Введение обратной связи по моменту позволяет использовать модуль для создания робототехнических устройств с системами управления приводом по моменту, необходимых при выполнении технологических, например сборочных, операций.
Модуль позволяет создавать и переконфигурировать многозвенные робототехнические устройства, благодаря возможности присоединения модулей к торцевой или боковой поверхностям корпуса через унифицированные, с малым количеством соединительных элементов конусные фланцы с электрическими соединителями, что, также, упрощает и ускоряет монтаж устройств из модулей.
Повышение надежности работы модуля, в том числе в изделиях специального назначения, достигается контролем и поддержанием заданного температурного рабочего режима исполнительных устройств путем установки нагревательных элементов, датчиков температуры на плате датчика крутящего момента, рядом с двигателем, на плате контроллера привода; для улучшения отвода тепла статор электродвигателя запрессован в корпус модуля, платы датчика момента и контроллера привода залиты компаундом. Во избежание выхода из строя электроники, перед включением модуля после хранения или паузы в работе при отрицательных температурах, для обеспечения рабочей температуры включается принудительный подогрев с помощью нагревательных элементов, чем также сокращается время готовности модуля к работе. Предотвращение выхода из строя модуля, вследствие перегрузки, обеспечивается датчиком момента, контролирующим максимально допустимый момент; надежность стыковки модулей между собой при сборке манипулятора обеспечивается высокими осевыми усилиями, достигаемыми конусной формой стыковочных фланцев и надеваемым на фланцы хомутом; надежность модуля повышена упрощением конструкции за счет удаления как конструктивной единицы ненадежного кабелеукладчика.
Применение микропроцессорного контроллера дает возможность адаптировать модуль к задачам управления робототехническим устройством на программном уровне, изменяя алгоритм и закон управления двигателем в зависимости от параметров робототехнического устройства. Наличие высокоскоростного интегрированного в контроллер CAN интерфейса, реализует распределенную систему управления от центрального компьютера изделием, состоящим из множества электромеханических модулей