Электромеханический модуль

Электромеханический модуль относится к классу мехатронных изделий со встроенными электронной схемой (контроллером) управления, электродвигателем, редуктором, датчиками и может быть использован в робототехнике общепромышленного и специального назначения с системами управления по моменту или «тактильных» устройствах.
Известен электромеханический модуль, патент РФ на полезную модель №94776, 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 бесконтактного моментного двигателя постоянного тока, установленный на полом входном валу волнового редуктора и расположенный коаксиально выходному валу электромеханического модуля, фланец на торце выходного вала электромеханического модуля, входной вал волнового 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 электромеханического модуля, а другое, через фланец - с подвижным корпусом электромеханического модуля. Электромеханический модуль содержит входной и выходной фланцы квадратной формы с разъемами, выходной фланец имеет четыре шпильки по углам, на оси которых установлены четыре центрирующие втулки, а входной фланец имеет четыре отверстия и, соосно, четыре центрирующие зенковки, также расположенные по углам, позволяющие стыковку с фланцем аналогичным выходному. Внутри выходного полого вала волнового редуктора проложены провода кабеля питания и управления модулем, на конце выходного полого вала установлен кабелеукладчик из фторопластовой ленты, спирально уложенной вокруг выходного полого вала, между слоями ленты уложены провода, один конец ленты кабелеукладчика закреплен на его неподвижном стакане, а другой - на выходном полом валу волнового редуктора. Контроллер, закрытый крышкой, закреплен на неподвижном корпусе электромеханического модуля и через разъем связан с бесконтактным моментным двигателем постоянного тока и датчиками скорости, положения, ограничения угла поворота подвижного корпуса электромеханического модуля, который установлен на неподвижном корпусе электромеханического модуля, на входном валу расположен ротор датчика скорости вращения бесконтактного моментного двигателя постоянного тока, на выходном полом валу расположен ротор датчика положения абсолютного отсчета угла поворота подвижного корпуса электромеханического модуля.
Выходной фланец с разъемом может быть установлен на торце подвижного корпуса электромеханического модуля, а входной фланец с разъемом - на торце неподвижного корпуса электромеханического модуля. Выходной и входной фланцы с разъемами могут быть установлены соответственно на боковых поверхностях подвижного и неподвижного корпусов электромеханического модуля.
К недостаткам данного электромеханического модуля можно отнести следующее: а) отсутствие датчика крутящего момента не позволяет использовать электромеханический модуль в системах управления приводом по моменту, выполнять технологические операции, связанные с регулировкой выходного момента, ограничивать опасные моменты при столкновении рабочего органа с препятствиями; б) невозможность поддержания заданного температурного режима внутри электромеханического модуля и контроля температуры исполнительных элементов при работе в широком температурном диапазоне из-за отсутствия датчиков температуры и нагревательных элементов; в) продолжительное время стыковки электромеханических модулей между собой из-за большого количества соединительных элементов; г) наличие ненадежного кабелеукладчика.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является электромеханический модуль, патент РФ на полезную модель №118483, состоящий из неподвижного и подвижного корпусов, содержащий встроенный волновой редуктор чашечного типа и низкооборотный бесконтактный моментный двигатель постоянного тока, статор бесконтактного моментного двигателя постоянного тока запрессован в неподвижном корпусе электромеханического модуля, ротор бесконтактного моментного двигателя постоянного тока жестко закреплен на полом входном валу волнового редуктора, вращающемся на двух шарикоподшипниках, и расположенном соосно полому выходному валу волнового редуктора, жестко связанному с подвижным корпусом электромеханического модуля. Выходное гибкое колесо волнового редуктора с помощью полого вала, соосного с выходным полым валом волнового редуктора, жестко соединено с внутренним кольцом датчика крутящего момента, внешнее кольцо которого жестко соединено с подвижным корпусом электромеханического модуля. На гибких спицах, соединяющих внутреннее и внешнее кольцо датчика крутящего момента, установлены тензорезисторы. Датчик температуры, плата обработки информации от тензорезисторов закреплены на внешнем кольце. Выходной вал волнового редуктора выполнен полым для прокладки кабеля питания и управления модулем, провода которого соединены с контроллером привода, входным и выходным электрическими соединителями электромеханического модуля. Выходной вал одним концом соединен с подвижным корпусом электромеханического модуля, другим - с ротором вращающегося трансформатора и через безлюфтовую зубчатую передачу связан с датчиком угла поворота подвижного корпуса электромеханического модуля на базе датчика Холла. Комбинация из вращающегося трансформатора и датчика угла поворота на базе датчика Холла образует датчик абсолютного отсчета угла поворота подвижного корпуса электромеханического модуля высокой степени точности. Датчик положения ротора бесконтактного моментного двигателя постоянного тока на эффекте Холла установлен на стойках напротив торца ротора. Контроллер управления приводом размещен в контейнере, расположенном на неподвижном корпусе электромеханического модуля. Рядом с бесконтактным моментным двигателем постоянного тока установлены датчик температуры и резистивные нагревательные элементы. Электромеханические модули могут стыковаться между собой в произвольном порядке, причем электрически - через соединители врубного типа, механически - конусными фланцами, форма которых обеспечивает высокие осевые усилия стягивания электромеханических модулей с помощью надеваемого вручную на фланцы хомута. Предварительная стыковка электромеханических модулей и их выравнивание обеспечиваются ловителями типа штырь - конус. В случае вращательной модификации электромеханического 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.
Данный электромеханический модуль обладает следующими недостатками: а) недостаточной надежностью вследствие низкой стойкости датчиков Холла электромеханического модуля к воздействию внешних специальных факторов; б) платы управления размещены друг над другом в одном контейнере, что затрудняет отвод тепла от них; в) обогрев электромеханического модуля обеспечивается большим количеством резистивных нагревательных элементов, расположенных вокруг двигателя, а контроль обогрева - двумя датчиками температуры, один из которых расположен рядом с двигателем, а другой - на наиболее удаленной от двигателя спице датчика крутящего момента, что приводит к невозможности поддержания точности термостатирования других чувствительных к температуре элементов электромеханического модуля; г) установленная в электромеханический модуль волновая передача чашечного типа обладает большими осевыми габаритами, чем волновые передачи других типов; д) отсутствие центрирующего элемента во фланцевых соединениях электромеханических модулей при их предварительной стыковке приводит к тому, что высокие радиальные усилия стягивания, создаваемые с помощью надеваемого вручную на фланцы хомута высокими осевыми усилиями, воспринимаются ловителями типа штырь - конус, для этих нагрузок не предназначенными, что приводит к перекосам и заклиниванию фланцевого соединения, к порче контактов электрических разъемов.
Задачами предлагаемой полезной модели являются: а) повышение надежности работы электромеханического модуля; б) улучшение теплоотвода от плат электроники; в) повышение точности термостатирования элементов электромеханического модуля; г) уменьшение осевых размеров электромеханического модуля; д) разгрузка фланцевых соединений модулей при их предварительной стыковке от радиальных усилий.
Задача повышения надежности работы электромеханического модуля решается введением резервного элемента в виде датчика положения и скорости ротора бесконтактного моментного двигателя постоянного тока на базе вращающегося трансформатора.
Задача улучшения теплообмена плат электроники решается за счет их расположения в отдельных контейнерах по сторонам корпуса электромеханического модуля.
Задача повышения точности термостатирования элементов электромеханического модуля решается контролем и поддержанием заданного температурного режима путем установки пленочных нагревательных элементов в непосредственной близости от плат контроллера привода и обработки сигналов от датчиков угла поворота выходного корпуса, платы контроля питания, платы драйверов.
Задача сокращения осевого габаритного размера решается установкой в модуль волновой передачи дифференциального типа.
Задача разгрузки фланцевых соединений модулей при их предварительной стыковке от радиальных усилий решается за счет введения в конусно-фланцевое соединение центрирующего элемента в виде бурта.
Предложен электромеханический модуль, состоящий из неподвижного и подвижного корпусов, содержащий встроенный волновой редуктор дифференциального типа и низкооборотный бесконтактный моментный двигатель постоянного тока, статор бесконтактного моментного двигателя постоянного тока запрессован в неподвижном корпусе электромеханического модуля, ротор бесконтактного моментного двигателя постоянного тока жестко закреплен на полом входном валу волнового редуктора, вращающемся на двух шарикоподшипниках и расположенном соосно полому выходному валу волнового редуктора, жестко связанному с подвижным корпусом электромеханического модуля. Выходное гибкое колесо волнового редуктора с помощью полого вала, соосного с выходным полым валом волнового редуктора, жестко соединено с внутренним кольцом датчика крутящего момента, внешнее кольцо которого, жестко соединено с подвижным корпусом электромеханического модуля. На гибких спицах соединяющих внутреннее и внешнее кольцо датчика крутящего момента установлены тензорезисторы. Плата обработки информации от тензорезисторов с датчиком температуры закреплена на внешнем кольце. Полый выходной вал электромеханического модуля служит для прокладки питающего и информационного кабеля, провода которого соединены с контроллером привода, входным и выходным электрическим соединителями электромеханического модуля. Выходной вал одним концом соединен с подвижным корпусом электромеханического модуля, другим через безлюфтовые зубчатые передачи связан с датчиком угла поворота подвижного корпуса электромеханического модуля на базе переменного резистора и с ротором вращающегося трансформатора. Комбинация из вращающегося трансформатора и датчика угла на базе переменного резистора образует датчик высокой точности абсолютного отсчета угла поворота подвижного корпуса электромеханического модуля. Датчик положения ротора бесконтактного моментного двигателя постоянного тока на эффекте Холла установлен на стойках напротив торца ротора. Резервный датчик положения ротора бесконтактного моментного двигателя постоянного тока соединен с ротором цилиндрической безлюфтовой зубчатой передачей. Плата контроллера привода и обработки сигналов от вращающегося трансформатора, платы контроля питания, платы драйверов размещены в контейнерах, расположенных на сторонах неподвижного корпуса электромеханического модуля. Рядом с бесконтактным моментным двигателем постоянного тока, с платой контроллера привода и обработки сигналов от вращающегося трансформатора и с платой обработки информации от тензорезисторов установлены датчики температуры. Нагревательные элементы установлены в непосредственной близости от плат контроллера привода и обработки сигналов от вращающегося трансформатора, контроля питания, драйверов и платы обработки информации от тензорезисторов датчика момента. Электромеханические модули могут стыковаться между собой в произвольном порядке, причем электрически - через соединители врубного типа, механически - конусными фланцами, форма которых обеспечивает высокие осевые усилия стягивания с помощью надеваемого вручную на фланцы хомута. Предварительная стыковка электромеханических модулей и их выравнивание обеспечиваются ловителями типа штырь - конус с разгрузкой фланцевых соединений модулей центрирующим элементом в виде бурта. В случае вращательной модификации электромеханического 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 представлен продольный разрез электромеханического модуля.
На фиг. 2 представлен поперечный разрез электромеханического модуля.
На фиг. 3 представлена стыковка электромеханических модулей между собой.
Представленный на фиг. 1 электромеханический модуль состоит из статора 1 бесконтактного моментного двигателя постоянного тока с платой 2 датчика положения ротора; волнового редуктора 3; блока датчиков 4 с переменным резистором 5 и вращающимися трансформаторами 6 и 7 (фиг. 2); подвижного корпуса 8 и неподвижного корпуса 9 со стыковочными конусными фланцами 10; встроенной системы управления, состоящей из платы 11 контроллера привода и обработки сигналов от вращающихся трансформаторов, платы контроля питания 12 (фиг. 2), платы драйверов 13, платы интерфейсной 14; электрических соединителей 15; датчика крутящего момента 16. Статор 1 бесконтактного моментного двигателя постоянного тока запрессован в неподвижный корпус, ротор 17 бесконтактного моментного двигателя постоянного тока закреплен на валу 18. Коммутация обмоток статора 1 осуществляется платой контроллера привода 11 по сигналам с платы 2 датчика положения ротора бесконтактного моментного двигателя постоянного тока либо вращающегося трансформатора 7. Плата датчика положения ротора 2 бесконтактного моментного двигателя постоянного тока выполнена на базе трех датчиков Холла, отрабатывающих изменение магнитного поля вращающегося ротора 17. Ротор 17 бесконтактного моментного двигателя постоянного тока связан с резервным вращающимся трансформатором 6 с помощью цилиндрической безлюфтовой зубчатой передачи 19. Момент с вала 18 через кулачково-зубчатую муфту передается на генератор 20 волнового редуктора 3. Генератор 20 деформирует гибкое зубчатое колесо 21 волнового редуктора, которое входит в зацепление с жесткими колесами 22 и 23. Жесткое колесо 22 закреплено в неподвижном корпусе 9, жесткое колесо 23 - в подвижном корпусе 8. Момент с подвижного жесткого колеса 23 через фланец 24 передается на внутренний обод датчика крутящего момента 16 и через гибкие спицы (балки) датчика на подвижный корпус 8. Датчик крутящего момента 16 состоит из фланца 25 с наклеенными на упругие балки этого фланца тензорезисторами 26 и платы датчика 27. При передаче момента с волнового редуктора 3 на подвижный корпус упругие балки датчика крутящего момента деформируются и растягивают тензорешетку резисторов 26. Сигнал с тензорезисторов 26 поступает на плату датчика 27 и обрабатывается микропроцессором, встроенным в плату, и далее передается на плату 11 контроллера привода. Вал 18 выполнен полым для установки кабельного канала 28 с проводами питающего и информационного кабеля внутри него. При работе электромеханического модуля провода питающего и информационного кабеля внутри кабельного канала работают на скрутку. Информация о положении подвижного корпуса 8 относительно неподвижного 9 снимается с датчика абсолютного отсчета -вращающегося трансформатора 6 и переменного резистора 5, входящих в состав блока датчиков, который закреплен в неподвижном корпусе 9. Вращение вала 18 передается на вращающийся трансформатор 6 и переменный резистор 5 через цилиндрические безлюфтовые зубчатые передачи 29 и 30. Пленочные элементы обогрева 31 (фиг 2) расположены на подвижном корпусе 8 в непосредственной близости от платы 11 контроллера привода и обработки сигналов от вращающихся трансформаторов, платы контроля питания 12, платы драйверов 13. Пленочный элемент обогрева 32 установлен на фланце датчика крутящего момента 16. Для управления пленочными элементами обогрева 31, 32 предусмотрены датчики температуры 33 (фиг. 2), 34 (фиг. 1) расположенные на подвижном корпусе 8 и на фланце датчика крутящего момента 16, а также датчик температуры 35 в непосредственной близости от статора 1 бесконтактного моментного двигателя постоянного тока. Информация от датчиков температуры поступает на плату регулирования температуры 36, которая включает и отключает элементы обогрева 31, 32. Стыковка электромеханических модулей обеспечивается соединением, приведенным на фиг. 3. Стыковочные фланцы расположены на торцевых или боковых поверхностях электромеханического модуля и представляют собой единое целое с выходными корпусами 8, 9. Электрические соединители 15 закреплены непосредственно на стыковочном фланце. Предварительная стыковка электромеханических модулей, их выравнивание, а также передача крутящего момента, обеспечиваются ловителями типа штифт 37 - втулка 38. После стыковки на конусные фланцы надевается хомут 39 (фиг. 3) обеспечивающий осевую фиксацию электромеханического модуля. Управление бесконтактным моментным двигателем постоянного тока осуществляют плата 11 контроллера привода с платой обработки сигналов от вращающихся трансформаторов и плата драйверов 13. Плата 11 контроллера привода с платой обработки сигналов от вращающихся трансформаторов выполняет следующие функции: а) расчет алгоритмов управления модулем; б) обработку информации от датчика температуры 30 статора бесконтактного моментного двигателя постоянного тока; в) измерение токов и напряжений платы драйверов 13; г) формирование импульсов включения и выключения драйверов транзисторов платы драйверов 13; д) возбуждение и обработка сигналов вращающихся трансформаторов 6 и 7; е) обработку сигналов с платы 2 датчика положения ротора бесконтактного моментного двигателя постоянного тока; ж) обработку сигнала переменного резистора 5; з) обмен по интерфейсу и обработку сигнала датчика крутящего момента 16. Плата драйверов 13 осуществляет формирование вращающегося вектора тока в статоре 1 бесконтактного моментного двигателя постоянного тока, а также измерение фазных токов и напряжения питания.
Электромеханический модуль работает следующим образом.
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 сети информационного кабеля поступают в микропроцессорный контроллер управления модулем. Контроллер, формируя широтно-импульсный модулированный сигнал, осуществляет управление скоростью вращения ротора бесконтактного моментного двигателя постоянного тока, принимая и обрабатывая сигнал обратных связей по положению, скорости, току и моменту. Сигнал управления от контроллера поступает в статор бесконтактного моментного двигателя постоянного тока, приводя во вращение ротор бесконтактного моментного двигателя постоянного тока, от которого момент передается генератору, деформирующему гибкое зубчатое колесо волнового редуктора дифференциального 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, жестко соединенное с подвижным корпусом модуля, воспринимающим внешнюю нагрузку. Обработка информации от тензорезисторов, закрепленных на упругих спицах, чувствительных элементах датчика крутящего момента, датчика температуры, осуществляется платой датчика крутящего момента, преобразуется в цифровую форму и по последовательному каналу передается в контроллер управления приводом электромеханического модуля. Информация о положении подвижного корпуса относительно неподвижного снимается с датчиков угла на базе вращающегося трансформатора и переменного резистора, каждый из которых соединен с выходным валом электромеханического модуля цилиндрической безлюфтовой зубчатой передачей. Информация о положении ротора бесконтактного моментного двигателя постоянного тока снимается с датчика Холла. Информация о положении и скорости ротора бесконтактного моментного двигателя постоянного тока также снимается с резервного датчика на базе вращающегося трансформатора, соединенного с ротором цилиндрической безлюфтовой передачей. Для контроля температуры бесконтактного моментного двигателя постоянного тока используется датчик температуры, а для ускоренной установки рабочей температуры внутри электромеханического модуля и предотвращения выхода из строя электроники, после хранения или паузы в работе электромеханического модуля при отрицательной температуре, предусмотрены пленочные нагревательные элементы.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности работы электромеханического модуля, улучшение теплообмена плат электроники, повышение точности термостатирования, сокращение осевого габаритного размера, разгрузка фланцевых соединений модулей от радиальных усилий при их стыковке.