Коллаборативный сервопривод

Полезная модель «Коллаборативный сервопривод» предназначена для использования в системах и средствах автоматизации, для работы в непосредственной близости с человеком.
Область техники, к которой относится полезная модель.
Машиностроение, станкостроение, робототехника, производство, военная промышленность, сервоприводы, электроприводы, мехатроника. Предприятия и институты, занимающиеся производством высокотехнологичной продукции: роботизированные протезы, промышленные роботы, поворотные платформы, медицинские хирургические роботы, ЧПУ станки и т.д.
Уровень техники:
Известен патент на полезную модель RU 185774 U1 РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЙ СЕРВОПРИВОД которая относится к интеллектуальным мехатронным модулям, а именно к робототехническим сервоприводам, используемым в передвижной робототехнике. Робототехнический сервопривод содержит корпус с прикрепленными к нему и расположенными в нем редуктором, выходным валом, соединенным с редуктором посредством винтового соединения, абсолютным энкодером, соединенным с выходным валом редуктора через зубчатую передачу, электродвигателем с валом с зубчатым колесом, соединенным с редуктором посредством зубчатой передачи, платой управления, расположенной в корпусе со стороны электродвигателя и крепящейся посредством винтового соединения к одной из стенок корпуса, также содержит блокиратор вала электродвигателя, установленный возле зубчатого колеса вала, и крепящийся на корпус сервопривода посредством винтового соединения со стороны редуктора. Техническим результатом является существенное энергосбережение при статических нагрузках, упрощение разработки новых робототехнических решений.
Недостатком данного изобретения является менее совершенная конструкция и функциональное назначение сервопривода.
Известен патент на изобретение CN112454419A СОВМЕСТНОЕ РОБОТИЗИРОВАННОЕ СОЕДИНЕНИЕ С ОДИНОЧНЫМ ЭНКОДЕРОМ, которое описывает совместного робота, соединенного с одним кодировщиком, и относится к области техники роботов. Соединение содержит выходной фланец, датчик крутящего момента, гармонический редуктор, безрамный крутящий момент с прямым приводом, входной фланец, многооборотный датчик абсолютных значений и тормоз, причем выходной фланец и входной фланец могут вращаться относительно друг друга; выходной конец безрамного моментного двигателя с прямым приводом соединен с датчиком крутящего момента и выходным фланцем через гармонический редуктор; а входной конец безрамного крутящего момента с прямым приводом соединен с тормозом и датчиком абсолютного значения. Шарнир коллаборативного робота, предусмотренный настоящим изобретением, имеет функции измерения силы, запоминания абсолютного положения, возврата к нулю и т.п.
Недостатком является менее совершенная конструкция и ограниченное функциональное назначение сервопривода.
Наиболее близким изобретением является серовопривод RDrive от Rozum Robotics https://rozum.com/ru/servomotor/, который представляет собой роботизированное соединение «все в одном». Серводвигатель RDrive объединяет в одном корпусе все основные элементы: энкодер, контроллер, гармонический редуктор и бесщеточный двигатель переменного тока. Поскольку контроллер встроен в привод робота, RDrive представляет собой серводвигатель постоянного тока с бесщеточным сердечником переменного тока.
Недостатком данного изобретения является менее четкое отслеживание нагрузки на фланец.
Задачей настоящего технического решения является создание коллаборативного сервопривода позволяющего отслеживать, с высокой точностью, нагрузку на выходном фланце сервопривода.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом коллаборативного сервопривода является отслеживание, с высокой точностью, нагрузку на выходном фланце сервопривода за счет применения подсистемы диагностирования внешних воздействий. Такая система позволяет осуществлять безопасную работу совместно с человеком, в ограниченном рабочем пространстве, без применения дополнительных систем безопасности (лазерных барьеров, лидаров и т.п.).
Технический результат достигается за счет расположения и особенностей конструктивных элементов заявленного решения, коллаборативный сервопривод состоит из корпуса с крышкой, образующих замкнутый контур сервопривода, который изготавливается из алюминиевого сплава, внутри него расположен вал быстроходный, который позиционируется в корпусе при помощи двух шариковых подшипников и фиксируется прижатием внешнего кольца крышкой, на валу позиционируется ротор элетродвигателя, который фиксируется посредством клеевого соединения, фиксация производится с помощью заливки анаэробного клей-герметика в специальное обнижение, располагающееся в месте позиционирования ротора, на валу позиционируется статор электродвигателя посредством клеевого соединения сальника.
Корпус, на внутренней поверхности которого выполнена проточка для равномерного распределения клеевого состава между статором и корпусом, где наполнение клеем осуществляется при помощи сквозных отверстий, расположенных в корпусе.
Установка редуктора осуществляется на центрирующие пояски корпуса и внутреннюю поверхность быстроходного вала, а его закрепление производится посредством винтового соединения, при этом фиксация быстроходного вала редуктора относительно быстроходного вала в сборе производится установочными винтами через технологические отверстия в корпусе.
На механическую систему, устанавливаются абсолютный и инкрементальный энкодеры, и позиционируются при помощи винтовых стоек, где расстояние от неподвижной части энкодеров до ответных роторов, установленных на вращающихся валах, настраивается мерными щупами и фиксируется винтом.
В корпусе располагается контроллер коллаборативного сервопривода и разъемы для соединения с аналогичными сервоприводами и периферийными устройствами, где после подключения всех электрических и электронных компонентов к контроллеру, корпус закрывается крышкой, которая фиксируется потайными винтами.
Коллаборативный сервопривод устанавливается на место эксплуатации и присоединяется к полезной нагрузке выходным фланцем и подключается к контроллеру верхнего уровня, с которого он получает управляющие сигналы, где калибровка системы осуществляется в автоматическом режиме, определяется нулевая точка и зависимость текущего внешнего момента от положения выходного фланца и в ходе дальнейшего использования коллаборативный сервопривод сравнивает расчетные значения приложенного момента, скорости и положения выходного фланца, с фактическими значениями скорости, положения и момента.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 представлено изометрическое изображение коллаборативного сервопривода в сборе.
На фигуре 2 представлено устройство схема коллаборативного сервопривода.
1-корпус, 2-шариковый подшипник, 3-статор электродвигателя, 4-вал быстроходный, 5-ротор элетродвигателя, 6-шариковый подшипник, 7-крышка, 8-сальник, 9-волновой редуктор, 10-фланец выходной, 11-вал обратной связи, 12-ротор инкрементального энкодера, 13-инкрементальный энкодер,14- тихоходный вал редуктора, 15-подшипник с перекрестными роликами, 16-ротор абсолютного энкодера, 17-абсолютный энкодер, 19-муфта энкодера, 20-корпус контроллера, 21-контроллер, 22-крышка корпуса контроллера. (Не указаны винты и крепежные изделия, а также компоненты, не входящие в данную конфигурацию)
На фигуре 3 представлено изометрическое изображение быстроходного вала и корпуса в сборе.
На фигуре 4 представлено изометрическое изображение быстроходный вал, корпус и крышка в сборе - электромотор.
На фигуре 5 представлено изометрическое изображение электромотор с редуктором в сборе - мотор - редуктор.
На фигуре 6 представлено изометрическое изображение механическая система в сборе.
На фигуре 7 представлено изометрическое изображение механическая система коллаборативного сервопривода с датчиками в сборе.
На фигуре 8 представлено изометрическое изображение коллаборативного сервопривода, подготовленный к подключению электронных компонентов.
На фигуре 9 представлена схема соединения элементов в коллаборативном сервоприводе.
Цифрами на фигурах обозначены:
1-корпус, 2-шариковый подшипник, 3-статор электродвигателя, 4-вал быстроходный, 5-ротор элетродвигателя, 6-шариковый подшипник, 7-крышка, 8-сальник, 9-волновой редуктор, 10-фланец выходной, 11-вал обратной связи, 12-ротор инкрементального энкодера, 13-инкрементальный энкодер,14-тихоходный вал редуктора,15-подшипник с перекрестными роликами, 16- ротор абсолютного энкодера, 17-абсолютный энкодер, 19-муфта энкодера, 20-корпус контроллера, 21-контроллер, 22-крышка корпуса контроллера.
Осуществление полезной модели.
Коллаборативный сервопривод спроектирован на основе бесколлекторного электромотора и волновой передачи и состоит из следующих элементов, представленных на фиг. 2 и фиг. 9: корпус (1), шариковый подшипник (2), статор электродвигателя (3), вал быстроходный (4), ротор элетродвигателя (5), шариковый подшипник (6), крышка (7), сальник (8), волновой редуктор (9), фланец выходной (10), вал обратной связи (11), ротор инкрементального энкодера (12), инкрементальный энкодер (13), тихоходный вал редуктора (14), подшипник с перекрестными роликами (15), ротор абсолютного энкодера (16), абсолютный энкодер (17), муфта энкодера (19), корпус контроллера (20), контроллер (21), крышка корпуса контроллера (22).
Корпус (1) с крышкой (7) образуют замкнутый контур сервопривода, данные элементы изготавливаются из алюминиевого сплава, что обеспечивает требуемую жесткость и легкость конструкции. В них устанавливаются все остальные элементы конструкции, а также снаружи устанавливаются редуктор (9), контроллер (21) с датчиками и защитные крышки (22). В корпусе расположены отверстия для заливки клей-герметика, обеспечивающего надежную фиксацию электромотора в корпусе. Такой способ монтажа обусловлен миниатюрностью конструкции и отвечает основным правилам конструирования мехатронных модулей.
Вал быстроходный (4) собирается вне основной сборки (Фиг. 3). Вал позиционируется в корпусе при помощи двух шариковых подшипников и фиксируется прижатием внешнего кольца крышкой (7). На быстроходном валу также позиционируется ротор электродвигателя (5), ротор фиксируется на валу посредством клеевого соединения (Фиг. 4). Фиксация производится с помощью заливки анаэробного клей-герметика в специальное обнижение, располагающееся в месте позиционирования ротора.
В корпус (1) перед установкой быстроходного вала (4), в сборе позиционируется статор электродвигателя (3) посредством клеевого соединения и сальника (8). На внутренней поверхности корпуса (1) выполнена проточка для равномерного распределения клеевого состава между статором и корпусом, а наполнение ее клеем осуществляется при помощи сквозных отверстий, расположенных в корпусе.
Вал быстроходный в сборе помещается в корпус в сборе и базируется при помощи подшипников. Необходимый натяг осуществляется крышкой (7).
На этапе, изображенном на фиг. 4, тестируется работоспособность электропривода и величина натяга системы.
Установка редуктора (9) осуществляется на центрирующие пояски корпуса и внутреннюю поверхность быстроходного вала (4), а его закрепление производится посредством винтового соединения. Фиксация быстроходного вала редуктора относительно быстроходного вала в сборе производится установочными винтами через технологические отверстия в корпусе.
Вал (11) также предназначен для закрепления на нем ротора абсолютного энкодера (16), что необходимо для прецизионного отслеживания положения выходного вала сервопривода, контроля скорости и внешнего момента.
На механическую систему, изображенную на фиг. 6, устанавливаются абсолютный и инкрементальный энкодеры (13) и (17) соответственно, и позиционируются при помощи винтовых стоек. Расстояние от неподвижной части энкодеров до ответных роторов, установленных на вращающихся валах, и настраивается мерными щупами и фиксируется винтом. На этапе сборки, изображенном на фиг. 7, тестируется работоспособность датчиков, посредством установленных на датчиках сигнальных светодиодов.
Диагностика внешних воздействий осуществляется при помощи метода диагностирования нагрузки. Метод основан на разнице показаний двух датчиков положения (13 и 17), первый (13) установлен на электродвигателе, второй (17) на выходном фланце коллаборативного сервопривода. Разница показаний датчиков достигается упругостью механических элементов системы сервопривода. В случае, если внешняя нагрузка на сервопривод отсутствует, показания датчиков одинаковые. Если есть нагрузка, происходит деформация в редукторе (9) и показания датчиков расходятся. Величина расхождения показаний датчиков является следствием приложенной нагрузки к выходному фланцу (10).
В корпусе располагается контроллер (21) коллаборативного сервопривода и разъемы для соединения с аналогичными сервоприводами и периферийными устройствами. После подключения всех электрических и электронных компонентов к контроллеру, корпус закрывается крышкой (22), которая фиксируется потайными винтами.
Коллаборативный сервопривод устанавливается на место эксплуатации и присоединяется к полезной нагрузке выходным фланцем (10). Коллаборативный сервопривод подключается к контроллеру (21) верхнего уровня, с которого он получает управляющие сигналы. Калибровка системы осуществляется в автоматическом режиме, определяется нулевая точка и зависимость текущего внешнего момента от положения выходного фланца. В ходе дальнейшего использования коллаборативный сервопривод сравнивает расчетные значения приложенного момента, скорости и положения выходного фланца, с фактическими значениями скорости, положения и момента. Если они расходятся выше указанного диапазона, контроллер (21) диагностирует нештатную ситуацию.
После сборки проводится ряд тестовых испытаний и подтверждение заявленных технических характеристик указанных в таблице.
Таблица 1.
Технические характеристики МКСП
Общее передаточное число
80
Число оборотов электродвигателя, об/мин
4700
Число оборотов выходного звена, об/мин
60
Мощность коллаборативного сервопривода, кВт
0,240
Коэффициент полезного действия
0,8
Масса коллаборативного сервопривода, кг
1,9
Габаритные размеры, мм
200х90х100
Коллаборативный сервопривод позволяет отслеживать, с высокой точностью, нагрузку на выходном фланце сервопривода. За счет применения подсистемы диагностирования внешних воздействий. Такая система позволяет осуществлять безопасную работу совместно с человеком, в ограниченном рабочем пространстве, без применения дополнительных систем безопасности (лазерных барьеров, лидаров и т.п.).
Коллаборативный сервопривод на базе волнового редуктора предназначен для понижения частоты вращательного движения и для увеличения крутящего момента с прецизионным отслеживанием величин момента, скорости и положения выходного звена.
Базовая деталь изделия имеет технологическую базу, в виде цилиндрической поверхности, обеспечивающую его достаточную устойчивость в процессе сборки. Унификация крепежных и других деталей способствует сокращению номенклатуры сборочных инструментов и более эффективному использованию средств механизации сборочных работ. При конструировании изделия обеспечивается возможность свободного подвода высокопроизводительных механизированных сборочных инструментов к местам соединения деталей.