ПОДВИЖНЫЙ СТОЛ МАНИПУЛЯТОРА

Устройство относится к области машиностроения и предназначено для автоматизации процесса перемещения изделий, в частности при электроннолучевой сварке.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является подвижный стол манипулятора, размещенный в вакуумной камере и содержащий укрепленный в корпусе с возможностью вращения вокруг оси винт, гайка которого жестко закреплена на поступательно движущейся платформе, несущей изделие (наружная поверхность платформы является поверхностью стола), один конец винта связан с выходным валом шагового двигателя, обмотки которого подключены к выходам многоканального блока управления шаговым двигателем (см. статью «Особенности построения манипуляторов для электронно-лучевых сварочных установок», Авт. Щербаков А.В., Рубцов В.П., Электротехника №7, 2011 г. с. 58-62).
Недостатком данного устройства является то, что кинематическая схема подвижного стола оказывается сложной, поскольку включает в себя не только преобразователь вращательного движения в поступательное - передачу винт-гайка, но и направляющие, по которым перемещается подвижная платформа. Наличие направляющих в конструкции подвижного стола, с одной стороны, усложняет устройство, поскольку направляющие должны выполняться с высокой точностью и иметь высокоточные поверхности, как на неподвижных, так и на подвижных элементах. С другой стороны, направляющие, по которым перемещается платформа стола, создают дополнительное трение, что приводит к снижению коэффициента полезного действия передачи и, следовательно, - к увеличению мощности двигателя.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в упрощении конструкции подвижного стола, увеличении коэффициента полезного действия и повышении точности передачи движения, так как наличие дополнительного трения в передаче вызывает снижение точности отработки заданного перемещения. Технический эффект заключается в том, что для увеличении коэффициента полезного действия и повышения точности в передаче движения от шагового двигателя к движущейся платформе исключают элемент, создающий трение - направляющие в конструкции стола.
Поставленная задача решается тем, что в известное устройство, содержащее укрепленный в корпусе с возможностью вращения вокруг оси винт, гайка которого жестко закреплена на поступательно движущейся платформе, несущей изделие, один конец винта связан с выходным валом шагового двигателя, обмотки которого подключены к выходам многоканального блока управления, снабженного входами выбора направления движения, дополнительно введены аналогичные основным, дополнительный винт, расположенный в корпусе параллельно основному, дополнительная гайка, жестко закрепленная на поступательно движущейся платформе, и дополнительный шаговый двигатель, связанный выходным валом с одним концом дополнительного винта и подключенный обмотками к одноименным обмоткам шагового двигателя.
Кроме того, в предлагаемом устройстве винты могут быть выполнены с разным направлением резьбы, а обмотки шагового двигателя подключены к обмоткам дополнительного шагового двигателя со смещением номеров.
Устройство поясняется чертежом, на котором приведена схема подвижного стола в плане и функциональная схема устройства управления применительно к четырехфазным шаговым двигателям для винтов, имеющих одинаковое направление резьбы.
Устройство содержит укрепленные в корпусе 1 с возможностью вращения вокруг оси винт 2 и дополнительный винт 3, гайки 4, дополнительная гайка 5 жестко закреплены на поступательно движущейся платформе (подвижном столе) 6, несущей изделие 7. Концы винтов 2 и дополнительного 3 связаны с выходными валами шаговых двигателей 8 и дополнительного 9, обмотки которых подключены к одноименным выходам многоканального блока управления 10, снабженного входами B и H выбора направления движения шаговых двигателей.
В кинематической схеме подвижного стола винты 8 и дополнительный винт 9 могут быть выполнены с одинаковым направлением резьбы. В этом случае одноименные обмотки шаговых двигателей соединяются между собой и подключаются к одноименным выходам общего для обоих двигателей многоканального блока управления. При таком соединении обмоток шаговых двигателей подача сигнала управления на вход B (условное направление движения вперед) или на вход H (условное направление движения назад) многоканального блока управления 10 обеспечивает синхронный и синфазный поворот роторов шагового двигателя 8 и дополнительного шагового двигателя 9 в одинаковом направлении (показано стрелками на чертеже). Синхронное и синфазное вращение винтов 2, 3 обеспечит реверсивное однокоординатное перемещение подвижного стола 6 в направлении указанном на чертеже стрелкой. В предлагаемом устройстве винты 2 и дополнительный винт 3 могут быть также выполнены с разным направлением резьбы, а обмотки шагового двигателя 8 при этом должны быть подключены к обмоткам дополнительного шагового двигателя 9 со смещением номеров. При такой кинематической схеме предлагаемого устройства роторы шаговых двигателей 8 и 9 будут также вращаться синхронно и синфазно, но в разных направлениях. В последнем варианте выполнения предлагаемого устройства уменьшаются усилия, перекашивающие подвижный стол. В остальном оба варианта выполнения предлагаемого устройства одинаковы.
Конструкция подвижного стола при использовании предлагаемого устройства существенно упрощается, поскольку в этом случае отпадает необходимость в использовании направляющих, по которым перемещается платформа 6 в традиционных конструкциях. В предлагаемом устройстве платформа 6 перемещается без направляющих, роль которых выполняют винты 2 и дополнительный винт 3.
На чертеже приведена схема устройства, обеспечивающего перемещение изделия 7 в одном направлении (по одной координате). При необходимости создания двухкоординатного манипулятора на подвижную платформу 6 одной координаты (например, координаты X) может быть установлен со смещением на произвольный угол относительно основного (как правило, 90°) дополнительный корпус с винтами, гайками и приводными двигателями, аналогичными основным. В этом случае указанные выше дополнительные элементы будут образовывать вторую координату (например, Y), что позволяет построить двухкоординатный манипулятор. Заявители не претендуют на конструкцию двухкоординатного манипулятора, поскольку расположение одной координаты на подвижном столе другой координаты двухкоординатного манипулятора известно. Заявители приводят описание варианта двухкоординатного манипулятора на базе предлагаемого технического решения только с целью иллюстрации его возможностей.
Предлагаемое устройство может быть реализовано на базе любых видов винтовых передач. Но для прецизионных подвижных столов, используемых, например, в электронно-лучевых сварочных установках, целесообразно применять шариковые винтовые передачи, которые обладают высоким КПД и высокой точностью, что позволяет создавать высокоточные и быстродействующие механизмы перемещения изделий, работающие как при атмосферном давлении, так и в вакууме.
y
Устройство работает следующим образом. Особенностью шагового двигателя, определяющего его использование в системах позиционирования, является то, что он представляет собой разомкнутую дискретную следящую систему, управляемую последовательностью импульсов поступающих на вход B или H 10. Импульсы управления f одновременно могут поступать только на один из входов В или Н многоканального блока управления. При подаче импульсов управления на вход B двигатель будет поворачиваться в условно принятом направлении вперед, а при подаче импульсов управления на вход H - в условно принятом направлении назад. При отсутствии на входах распределителя импульсов управления шаговые двигатели фиксируют свое последнее положение, развивая при этом момент, равный моменту, создаваемому при вращении.
y
Так как в предлагаемом устройстве обмотки шагового двигателя 8 и дополнительного двигателя 9 подключены к выходам одного многоканального блока управления 10, то при подаче на вход распределителя 11 импульсов управления f обеспечивается синхронное переключение обмоток двигателей и синфазный поворот на один и тот же угол обоих винтов 2 и 3. При этом происходит перемещение платформы 6 в направлении X без дополнительных направляющих и без перекосов. Платформа 6 жестко связана с винтами 2, 3 и не нуждается в специальных направляющих. Исключение перекосов платформы 6 при ее перемещении обеспечивается в предлагаемом устройстве благодаря синфазному повороту обоих винтов на одинаковые углы.
При вращении винтов 2 и 3 в одном направлении, кроме усилия, обеспечивающего горизонтальное перемещение платформы 6, возникают (за счет сил трения винта о гайку) усилия, стремящиеся повернуть платформу в вертикальном направлении. Эти одинаково направленные вертикальные усилия не приводят к перемещению платформы в вертикальной плоскости, поскольку гасятся винтами, препятствующими повороту платформы 6 в вертикальной плоскости. Следует отметить, что вертикальные усилия, стремящиеся повернуть горизонтально движущуюся платформу в вертикальной плоскости, возникают и в подвижном столе с одной винтовой парой. Именно по этой причине в подвижном столе с одной движущей винтовой парой предусматривают направляющие, которые гасят возникающие вертикальные усилия.
Компенсация вертикальных усилий, возникающих при трении винтов 2, 3 о гайки 4, 5, обеспечивается при использовании в подвижном столе винтов с различным направлением резьбы. Противоположное направление вращения винтов 2 и 3 вызывает вертикальные усилия, направленные навстречу друг другу. Для достижения этого эффекта валы двигателей 8, 9 должны вращаться в разных направлениях при одинаковой последовательности переключения обмоток. Противоположное вращение валов шаговых двигателей 8, 9 при одинаковой последовательности переключения каналов усилителя мощности обеспечивается смещением номеров обмоток. Например, применительно к четырехфазным шаговым двигателям для обеспечения вращения их валов в противоположных направлениях обмотки одного двигателя должным быть подключены следующим образом: для одного двигателя - 1-я обмотка - к первому каналу усилителя мощности, 2-я обмотка - ко второму каналу усилителя мощности, 3-я обмотка - к третьему каналу усилителя мощности, 4-я обмотка - к четвертому каналу усилителя мощности; для дополнительного двигателя - 1-я обмотка должна быть подключена к третьему каналу усилителя мощности, 2-я обмотка - ко второму каналу усилителя мощности, 3-я обмотка - к первому каналу усилителя мощности, 4-я обмотка - к четвертому каналу усилителя мощности.