МЕХАТРОННЫЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к классу мехатронных изделий, со встроенными электронной схемой (контроллером) управления, электродвигателем, волновым редуктором, датчиками и может быть использована в системах управления приводом по моменту в робототехнике общепромышленного и специального назначения.
Аналогом полезной модели является техническое решение по патенту 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, подшипники, крепежные изделия.
Недостатком электродвигателя со встроенным редуктором является отсутствие датчика крутящего момента, не позволяющее его использование в системах управления приводом по моменту, невозможность ограничения опасных моментов при контроле столкновений рабочего органа с препятствиями, невозможность широкого использования электродвигателя для создания многозвенных роботов.
Известен также электромеханический модуль (полезная модель РФ №118806), состоящий из подвижной и неподвижной частей корпуса, содержащий встроенный волновой редуктор и низкооборотный бесконтактный моментный двигатель постоянного тока. Модуль оснащен датчиками скорости двигателя, абсолютного отсчета положения подвижной части корпуса, крутящего момента. В модуле ротор двигателя установлен на полом входном валу редуктора, расположенном коаксиально выходному валу, а 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, с внутренним кольцом датчика крутящего момента, внешнее кольцо которого жестко соединено с подвижным корпусом модуля. Недостатком такого технического решения является длинная кинематическая цепь волнового редуктора, приводящая к снижению точности отработки движения, уменьшению жесткости конструкции и снижению надежности системы в целом.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является электромеханический модуль (полезная модель РФ №118483) состоящий из подвижного корпуса, установленного при помощи двух шарикоподшипников на неподвижном корпусе, содержащий встроенный волновой редуктор и низкооборотный бесконтактный моментный двигатель постоянного тока, ротор которого установлен на полом входном валу волнового редуктора, расположенном коаксиально выходному полому валу волнового редуктора, внутри которого проложены провода информационного и питающего кабеля, контроллера, закрепленного на неподвижном корпусе модуля, и датчика крутящего момента, имеющего внутреннее и внешнее кольцо.
Такое техническое решение позволяет использовать его в роботах различного назначения с системами управления приводом по моменту, в частности, имеется возможность ограничения опасных моментов по сигналу от датчика момента при помощи программного обеспечения в ситуации столкновений рабочего органа робота с препятствиями. Указанный электромеханический модуль является мехатронным изделием, так как в нем сгруппированы механические, электромеханические и электронные компоненты.
Недостатками прототипа являются низкая надежность и точность отработки движений. Это связано с тем, что шарикоподшипники, на которых установлен подвижный корпус относительно неподвижного корпуса, расположены близко друг от друга, фактически они находятся на расстоянии, не превышающем длину внутреннего кольца датчика крутящего момента. В случае внешнего воздействия в виде изгибающего момента (например, при движении с ускорением или при касании с препятствием) теряется точность движения подвижного корпуса относительно неподвижного корпуса по причине низкой жесткости конструкции с близко расположенными подшипниками, что может привести к столкновению с препятствием. Кроме этого, при внешнем изгибающем моменте происходит изгиб внутреннего кольца датчика крутящего момента, который передается на упругие спицы датчика момента, на которых установлены тензорезисторы - чувствительные элементы датчика крутящего момента. Деформации тензорезисторов от действия изгиба влекут за собой искажение информации о крутящем моменте. Таким образом, данное техническое решение имеет пониженную точность и надежность электромеханического модуля в целом.
Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение надежности работы модуля и увеличение точности позиционирования. Решение данной задачи достигнуто за счет того, что в мехатронном электромеханическом модуле, состоящем из подвижного корпуса, установленного при помощи двух шарикоподшипников на неподвижном корпусе, содержащем встроенный волновой редуктор и низкооборотный бесконтактный моментный двигатель постоянного тока, ротор которого установлен на полом входном валу волнового редуктора, расположенном коаксиально выходному полому валу волнового редуктора, внутри которого проложены провода информационного и питающего кабеля, контроллера, закрепленного на неподвижном корпусе, и датчика крутящего момента, имеющего внутреннее и внешнее кольцо, выходное гибкое колесо волнового редуктора, внутреннее кольцо датчика крутящего момента и двигатель расположены между двумя шарикоподшипниками, на которых установлен подвижный корпус относительно неподвижного корпуса.
Решение указанной технической задачи достигается также тем, что в заявляемом мехатронном электромеханическом модуле на внутреннем кольце датчика крутящего момента закреплен одним концом палец, который вторым концом установлен с радиальным зазором в отверстии на внешнем кольце датчика крутящего момента, причем ось пальца параллельна оси подвижного корпуса.
Сущность заявляемой полезной модели состоит в том, что в отличие от прототипа,
- во-первых, расстояние между шарикоподшипниками, на которых установлен подвижный корпус, увеличено в несколько раз при сохранении продольных размеров электромагнитного модуля, что повышает жесткость модуля в целом;
- во-вторых, из-за того, что гибкое колесо волнового редуктора расположено между двумя шарикоподшипниками, на которых установлен подвижный корпус, при внешней нагрузке в виде изгибающего момента, деформация изгиба не передается на датчик крутящего момента и не оказывает влияние на показания чувствительных элементов датчика крутящего момента;
- в-третьих, при резком возрастании крутящего момента (например, при столкновении с препятствием) происходит угловое смещение (поворот) внешнего кольца датчика относительно внутреннего, и при превышении допустимого значения углового смещения палец вторым концом упирается в стенку отверстия во внешнем кольце датчика момента и воспринимает всю нагрузку на себя, сохраняя неповрежденными чувствительные элементы датчика крутящего момента.
Таким образом, технические эффекты заявляемого устройства следующие:
- повышение точности позиционирования, которое достигается за счет высокой жесткости мехатронного электромеханического модуля в целом, что также повышает и надежность модуля;
- повышение надежности, которое достигается за счет предотвращения поломки датчика момента при внезапном ударе о препятствие.
Сущность полезной модели поясняется чертежом на фиг. 1, на котором показан продольный разрез мехатронного электромеханического модуля. На фиг. 2 показан местный вид по стрелке А.
Мехатронный электромеханический модуль содержит неподвижный корпус 1, подвижный корпус 2, установленный при помощи шарикоподшипников 3 и 4 на неподвижном корпусе 1. Подвижный корпус 2 приводится в движение бесконтактным низкооборотным моментным электродвигателем постоянного тока 5 через волновой редуктор. Статор двигателя 5 запрессован во фланце 6, который зафиксирован в неподвижном корпусе 1. Ротор двигателя 7 жестко закреплен на полом входном валу 8 волнового редуктора, вращающемся на двух шарикоподшипниках 9 и 10, расположенном соосно полому выходному валу 11 подвижного корпуса 2, который служит для прокладки информационного и питающего кабеля 12 и соединенного с вращающимся трансформатором 13. На полом выходном валу волнового редуктора 8 закреплен также диск с магнитами 14, взаимодействующими с элементами Холла датчика поворота 15 ротора электродвигателя 7, который зафиксирован относительно неподвижного корпуса 1.
Ротор двигателя 7 через полый выходной вал 8 волнового редуктора соединен с генератором волн 16 волнового редуктора, который деформирует гибкое зубчатое колесо 17, входящее в зацепление с жестким колесом 18 волнового редуктора, закрепленным в неподвижном корпусе 1. Момент с гибкого зубчатого колеса 17 через внутреннее кольцо 19 датчика крутящего момента и через упругие спицы (на фиг.1 одна из них попала в сечение разреза), на которых расположены чувствительные элементы, соединенные с электронной платой 20, передается на внешнее кольцо 21 датчика крутящего момента, жестко соединенное с подвижным корпусом 2.
На внутреннем кольце 19 датчика крутящего момента закреплен по конической поверхности палец 22, который своей цилиндрической частью входит с радиальным зазором Δ в цилиндрическое отверстие внешнего кольца 21, причем ось пальца параллельна оси подвижного корпуса 2 (фиг. 2).
Контроллер 23 мехатронного электромеханического модуля установлен на печатной плате 24, закрепленной при помощи стоек на неподвижном корпусе 1.
Мехатронный электромеханический модуль работает следующим образом.
При подаче от компьютера (верхний уровень управления) на контроллер 23 команд управления, содержащих, например, задания по величине угла поворота, скорости подвижного корпуса 2, по величине крутящего момента, приводится во вращение ротор двигателя 7, закрепленный на полом выходном валу 8, который вращает генератор волн 16, деформируя гибкое зубчатое колесо 17. Гибкое зубчатое колесо 17 входит в зацепление с жестким колесом 18, закрепленным в неподвижном корпусе 1, обкатывая его. Таким образом, происходит редуцирование скорости вращения гибкого зубчатого колеса 17 относительно генератора волн 16. Вращение гибкого зубчатого колеса 17 через внутреннее кольцо 19 и внешнее кольцо 21 датчика крутящего момента передается при помощи полого выходного вала 11 на вращающийся трансформатор 13, который формирует сигнал, пропорциональный абсолютному углу поворота подвижного корпуса 2. Этот сигнал поступает на контроллер 23, который вырабатывает управляющие сигналы для работы электродвигателя 5. Для переключения обмоток статора электродвигателя 7 в зависимости от угла поворота формируются сигналы датчика поворота 15 при вращении диска с магнитами 14 относительно элементов Холла, которые поступают также на контроллер 23.
Крутящий момент внешней нагрузки, приложенный к подвижному корпусу 2, передается от внешнего кольца 21 датчика крутящего момента на внутреннее кольцо 19, деформируя упругие спицы и воздействуя на чувствительные элементы на упругих спицах. Сигналы чувствительных элементов (например, тензорезисторов) измеряются и преобразуются в цифровую форму электронной платой 20 и далее по кабелю 12 передаются в контроллер 23.
При внезапном ударе, больших ускорениях или соприкосновении с препятствием подвижного корпуса 2 возникают изгибающие моменты, действующие на подшипники 3 и 4, установленные в неподвижном корпусе 1. При большой базе, т.е. при большом расстоянии между подшипниками 3 и 4, силовые реакции будут уменьшены по сравнению с прототипом, в котором эта база меньше, по крайней мере, в 3 раза. Повышенная жесткость заявляемого электромеханического мехатронного модуля позволяет повысить также и точность позиционирования и движений подвижного корпуса 2.
При указанной внешней нагрузке в виде изгибающего момента, деформация изгиба не передается на датчик крутящего момента и не оказывает влияние на показания чувствительных элементов датчика крутящего момента, так как контакт в зубчатом зацеплении гибкого зубчатого колеса 17 и жесткого колеса 18 находится примерно посередине между подшипниками 3 и 4.
При внезапном ударе или при резком превышении допустимого значения момента внешней нагрузки, когда система управления не сможет отработать сигнал обратной связи от датчика момента, палец 22 сдвинется на величину зазора Δ и надавит на внутреннюю поверхность отверстия внешнего кольца 21. Таким образом, происходящее резкое угловое смещение внешнего кольца 21 относительно внутреннего кольца 19 будет ограничено зазором Δ между пальцем 22 отверстием во внешнем кольце 21. Тем самым предохранит чувствительные элементы датчика от повреждения и повысит надежность системы в целом.
Таким образом, заявляемая полезная модель имеет промышленную применимость и является мехатронным электромеханическим модулем с повышенной надежностью и точностью позиционирования.