ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к классу мехатронных изделий, со встроенными электронной схемой (контроллером) управления, электродвигателем, редуктором, датчиками и может быть использована в робототехнике, станкостроении и т.д.
Известен мехатронный модуль линейного перемещения, содержащий электродвигатель, контроллер, управляющий движением двигателя, передачу, включающую ходовую и опорные гайки и резьбовой ролик, [патент РФ №2351817]. Резьбовой ролик жестко соединен с ферромагнитными катящимися роторами. Обмотки статора и постоянные магниты, обеспечивающие создание вращающегося ассиметричного магнитного поля, жестко соединены с опорными гайками. Опорные участки ролика имеют резьбовые сопряжения с опорными гайками, у которых углы подъема резьбы одинаковы по величии и противоположны по знаку. Ходовая гайка имеет резьбовое сопряжение с ходовым участком ролика при разных углах подъема резьбы на ходовой гайке и ходовом участке ролика.
Одним из недостатков модуля линейного перемещения является невозможность контроля заданной величины и точности линейного перемещения, невозможность стабилизации заданной скорости вращения двигателя при переменной нагрузке, невысокий КПД.
За прототип выбран 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 является невозможность широкого использования электродвигателя, нестабильность показаний датчиков достаточно большая погрешность показаний, что приводит к ненадежности работы электродвигателя и модуля в целом. Электродвигатель не позволяет широко его использовать для многозвенных роботов.
Задачей является разработка конструктивно и функционально законченного электромеханического модуля, позволяющего создавать, переконфигурировать многозвенные робототехнические устройства, а также повышение надежности его работы.
Предложен электромеханический модуль, содержащий встроенный волновой редуктор и низкооборотный бесконтактный моментный двигатель постоянного тока, статор, 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 неподвижной частью модуля, а другое, через фланец - с подвижной частью 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 неподвижной части модуля и через разъем связан с электродвигателем и датчиками скорости, положения, ограничения угла поворота подвижной части модуля, который установлен на неподвижной части модуля, на входном валу расположен ротор датчик скорости вращения двигателя, на выходном полом валу расположен ротор датчик положения абсолютного отсчета угла поворота подвижной части модуля.
Выходной фланец с разъемом может быть установлен на торце корпуса подвижной части модуля, а входной фланец с разъемом - на торце корпуса неподвижной части модуля.
Выходной и входной фланцы с разъемами могут быть установлены соответственно на боковых поверхностях подвижной и неподвижной частях модуля.
На фиг.1 изображен электромеханический модуль в поперечном разрезе. Электромеханический модуль состоит из неподвижной 1 и подвижной частей 2 корпуса модуля, которая приводится в движение электродвигателем через редуктор. Статор электродвигателя 3 жестко соединен с неподвижной частью модуля, ротор 4 находится на входном валу 5 редуктора, на одном конце вала находится ротор датчика скорости 6 вращения двигателя, статор датчика скорости 7 соединен с неподвижной частью модуля, а другой конец входного вала, через кулачково-дисковую муфту 8, соединен с кулачком 9 редуктора, на котором находятся два гибких подшипника 10. Подшипники соединены с гибким зубчатым колесом 11, входящим в зацепление с двумя зубчатыми колесами, одно из которых 12 соединено с неподвижной частью модуля, а другое 13 - с подвижной частью модуля через фланец 14. Фланец одновременно соединен с выходным полым валом 15, коаксиально расположенным с входным валом редуктора. На выходном полом валу, закрепленном в подшипнике 16, расположен ротор датчика положения 17 абсолютного отсчета угла поворота подвижной части модуля, статор датчика положения 18 вмонтирован в корпус неподвижной части модуля. На конце выходного полого вала установлен кабелеукладчик из фторопластовой ленты 19, спирально уложенной вокруг выходного полого вала, между лентами кабелеукладчика уложены провода 20, прикрепленные к ленте, электрического кабеля, проходящего внутри выходного полого вала от разъема 21 входного и к разъему 22 выходного фланцев. Один конец ленты закреплен на неподвижном стакане 23 кабелеукладчика, другой - на выходном полом валу. На неподвижной части корпуса модуля расположен бесконтактный датчик ограничения угла поворота 24 подвижной части модуля. Выходной фланец 25 с разъемом, установленный на торце корпуса подвижной части модуля, имеет квадратную форму с четырьмя шпильками 26 по углам, на оси которых установлены четыре центрирующие втулки, входной фланец 27 с разъемом, установленный на торце корпуса неподвижной части модуля, также имеет квадратную форму с четырьмя отверстиями и, соосно, четыре центрирующие зенковки, также расположенные по углам, позволяющими стыковку с фланцем аналогичным выходному. На неподвижной части модуля под крышкой 28 расположен микропроцессорный контроллер управления 29 электродвигателем. Контроллер управления электрически, через разъем 30, связан с разъемами выходного и входного фланцев, двигателем, датчиками положения и скорости, ограничения поворота. На фиг.2 изображен аналогичный электромеханический модуль, но с выходным фланцем 25 и входным фланцем 27, установленными на боковых поверхностях подвижной и неподвижной частях модуля.
От компьютера (верхний уровень управления) команды управления, содержащие задания о величине угла поворота, например 10°, скорости, например 5° в сек., подвижной части модуля, току двигателя, например 5 А, через разъем 21 входного фланца 27, разъем 30 поступают, например, в микропроцессорный контроллер управления 29. Контроллер, формируя широтно - импульсно - модулированный сигнал (ШИМ), осуществляет управление электродвигателем, реализуя привод, охваченный обратными) связями по положению, скорости, току. Сигнал управления от контроллера поступает в статор 3 двигателя, приводя во вращение ротор 4 и входной вал 5 редуктора. Вращение через кулачково-дисковую муфту 8 передается на кулачек 9, а через гибкие подшипники 10 - на гибкое зубчатое колесо 11. Гибкое колесо одним краем входит в зацепление с жестким колесом 12, закрепленным в неподвижной части модуля, обкатывая его, а другим - с жестким колесом 13, соединенным с фланцем 14, передающим вращение подвижной части модуля. Фланец вращает полый выходной вал, другим концом заделанный в подшипнике 16. К этому концу вала прикреплена фторопластовая лента 19 кабелеукладчика, другим концом закрепленная на неподвижном стакане 23 кабелеукладчика. Вращение вала передается ленте, закручивая или раскручивая провода 20 кабеля вокруг вала, не давая им рваться. Выходной полый вал вращает ротор датчика положения 17 абсолютного отсчета угла поворота подвижной части модуля, статор датчика положения 18 вмонтирован в корпус неподвижной части модуля. Датчик измеряет абсолютное значение угла поворота подвижной части модуля от начала поворота в любой момент включения питания модуля.
Электромеханический модуль позволяет создавать и переконфигурировать многозвенные робототехнические устройства, благодаря возможности присоединения модулей через унифицированные фланцы с разъемами к торцевой или боковой поверхностям модуля, что, также, упрощает и ускоряет монтаж устройств из модулей.
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 интерфейса, реализует распределенную систему управления от центрального компьютера изделием, состоящим из множества электромеханических модулей. Надежность работы модуля повышается за счет использования волнового редуктора, отсутствия необходимости разборки датчиков для доступа к контроллеру управления. Кроме того, реализация скрытого межмодульного электромонтажа, благодаря прокладке кабеля от разъемов фланцев внутри полого выходного вала, защищает кабель от внешнего повреждения.