1. Wprowdzenie

We współczesnych robotach stosowane są w zasadzie trzy rodzaje siłowników, a

mianowicie: pneumatyczne, hydrauliczne i elektryczne oraz ich kombinacje. Każdy robot jest

wyposażony w układ siłowników rozmieszczonych odpowiednio na ramionach robota lub w

jego połączeniach ruchowych, tworząc napęd robota.

Na rys.1 przedstawiono udział procentowy różnego rodzaju siłowników stosowanych w

robotach przemysłowych. Dane dla rys. 1a zostały opracowane w 1977 roku na próbce 118

robotów przemysłowych. Na rys. 1b pokazano rozkład siłowników na podstawie szacunku z

ostatnich lat. Ze względu na rozwój nowych odmian silników elektrycznych, takich jak:

krokowe, liniowe, tarczowe oraz tzw. bezpośredniego napędu, udział napędu elektrycznego

wzrósł z 12.7% w roku 1977 do około 50% w roku 1990.

Zmniejszył się udział napędu pneumatycznego z około 45% do 10%. Napęd

hydrauliczny nadal pozostaje podstawowym napędem, szczególnie dla robotów o dużych

udźwigach - przenoszonych obciążeniach.

W ostatnim okresie pojawiły się nowe rozwiązania układów pneumatycznych typu

serwomotor, co może spowodować renesans tego typu napędu.

Rys. 1. Udział procentowy różnego rodzaju siłowników stosowanych w robotach:

a) rok 1977, b) rok 1990

2. Napędy hydrauliczne

2

Napęd hydrauliczny, pomimo wzrostu zastosowania napędu elektrycznego, pozostaje

nadal jednym z podstawowych napędów, szczególnie tam, gdzie chodzi o szybkie

przemieszczanie przy znacznych obciążeniach robota.

Jeśli dla przykładu weźmiemy pod uwagę siłownik hydrauliczny o powierzchni

użytkowej tłoka 50 cm zasilany ze źródła energii hydraulicznej o ciśnieniu 21.0 MPa, to przy

ciśnieniu 14.0 MPa uzyskuje się na wyjściu siłownika siłę 70 000 N.

Krótki czas rozruchu (od kilkudziesięciu milisekund do 1 s) uwidacznia korzyść ze

stosowania napędu hydraulicznego.

Rozpowszechnienie tych napędów jest spowodowane takimi ich zaletami jak:

 łatwość uzyskiwania dużych sił przy małych rozmiarach i ciężarach urządzeń;

 łatwość precyzyjnego sterowania położenia elementu wykonawczego;

 bardzo dobre właściwości dynamiczne. Małe momenty bezwładności części ruchomych

sprawiają, że siłowniki hydrauliczne odznaczają się bardzo dużą prędkością działania;

 łatwość uzyskiwania ruchów jednostajnych;

 możliwość uzyskania małych prędkości ruchu elementu wykonawczego bez

konieczności stosowania przekładni;

 mała wrażliwość na zmiany obciążenia i przeciążenia, łatwość zabezpieczenia przed

przeciążeniami;

 łatwość konserwacji (samoczynne smarowanie) i prostota użytkowania;

 duża pewność ruchowa.

Do wad napędów hydraulicznych należy:



duży hałas wytwarzany przez pompę;



zanieczyszczenia wywołane ewentualnym wyciekiem oleju.

W skład napędów hydraulicznych wchodzą:

 elementy wykonawcze (siłowniki) sprzęgnięte bezpośrednio z ramionami

manipulatorów;

 elementy sterujące: wzmacniacze i przełączniki sterujące strumieniem (natężeniem

przepływu) i kierunkiem przepływu cieczy roboczej;

 źródło przepływu, którym jest pompa zębata, śrubowa lub łopatkowa;

 źródło energii, którym jest silnik elektryczny napędzający pompę;

 elementy pomocnicze: filtr cieczy roboczej, zawory zabezpieczające, przewody,

zbiorniki cieczy roboczej;

 ciecz robocza, którą jest zwykle odpowiedni olej.

3

2.1. Siłowniki hydrauliczne

Podstawowymi typami siłowników hydraulicznych stosowanych w manipulatorach są:

 siłownik tłokowy ruchu posuwistego;

 siłownik łopatkowy ruchu obrotowego.

W obydwu typach siłowników ciecz robocza tłoczona pod wysokim ciśnieniem — od

ok. 6,8 MPa (70 kG/cm

2

) do 30 MPa — przekazuje to ciśnienie zgodnie z prawem Pascala

ruchomemu, lecz szczelnemu elementowi, którym zależnie od typu siłownika jest tłok lub

łopatka.

Na rysunkach poniżej znajdują się schematy wymienionych siłowników oraz zależności

określające siłę F (moment M) i prędkość liniową v (prędkość kątową

ω

) w funkcji ciśnienia

zasilania p

1

ciśnienia odpływu p

2

i strumienia (natężenia dopływu) cieczy roboczej Q

1

(Q). Z

zależności tych widać, że różnica ciśnienia p

1

— p

2

określa siłę (moment) rozwijany przez

siłownik, a strumień Q

1

(Q) cieczy roboczej określa prędkość liniową (prędkość kątową)

elementu wykonawczego.

Rys. 2. Schemat siłownika hydraulicznego tłokowego ruchu posuwistego

t

F

S

p

S

p

F

−

−

=

2

2

1

1

2

2

1

1

S

Q

S

Q

v

=

=

gdzie: S

1

,S

2

– powierzchnia tłoka, F

t

– siła tarcia.

4

Rys. 3. Schemat siłownika łopatkowego ruchu obrotowego

t

M

b

r

R

p

p

M

−

−

−

=

2

)

(

2

2

2

1

(

)

2

2

2

r

R

b

Q

−

=

ω

gdzie: b – długość cylindra, M

t

– moment tarcia.

2.1.1. Siłowniki tłokowe ruchu posuwistego (liniowe)

Ten rodzaj siłowników jest zbliżony do pneumatycznego, lecz przy tej samej mocy są

one mniejsze oraz lżejsze.

Wyróżnia się trzy rodzaje siłowników, a mianowicie:



dwustronnego działania;



różnicowe;



jednostronnego działania.

Siłownik hydrauliczny liniowy dwustronnego działania. Ciśnienia po obu stronach tłoka

wynoszą odpowiednio p

1

i p

2

. Ponieważ po stronie o ciśnieniu p

2

znajduje się trzpień, to

powierzchnie tłoka są różne. Stąd rozwijana siła nie jest funkcją symetryczną ciśnienia i

wynosi

(

)

2

1

Sp

p

s

S

F

−

+

=

Można ten niedostatek usunąć przez zastosowanie tłoka z dwustronnym trzpieniem. W takim

przypadku siła

)

(

2

1

p

p

S

F

−

=

5

Rys. 4. Siłownik hydrauliczny liniowy dwustronnego działania

Przykład różnicowego siłownika hydraulicznego liniowego obrazuje rysunek poniżej.

W tym przypadku powierzchnia przekroju trzpienia jest równa podstawie powierzchni tłoka

s = S. Po stronie tłoka z trzpieniem występuje wysokie ciśnienie p

a

, a po drugiej stronie

zmienne ciśnienie p. Stąd siła

)

2

(

a

p

p

s

F

−

=

Rys. 5. Siłownik hydrauliczny liniowy różnicowy

Na rys. 6 przedstawiono przykład rozwiązania konstrukcyjnego siłownika

hydraulicznego liniowego jednostronnego działania. W tym przypadku mamy zmienne

ciśnienie p, a z drugiej strony trzpień znajduje się pod działaniem niskiego ciśnienia p

0

. Siła

rozwijana jest w jednym kierunku

)

(

)

(

0

0

p

p

S

p

p

S

f

a

b

−

≤

−

=

≤

Powrót trzpienia następuje pod działaniem siły zewnętrznej.

6

Rys. 6. Siłownik hydrauliczny liniowy jednostronnego działania

Omówione trzy rodzaje siłowników hydraulicznych liniowych zapewniają rozwijanie

dużych wartości sił i duże przemieszczenia.

2.1.2. Siłowniki ruchu obrotowego

W celu uzyskania ruchu obrotowego o ograniczonym przemieszczeniu kątowym stosuje

się dwa rodzaje siłowników hydraulicznych obrotowych: siłowniki hydrauliczne

przekształcające ruch postępowo-zwrotny na ruch obrotowy oraz siłowniki hydrauliczne

z wirującym tłokiem.

Pierwszy rodzaj siłowników hydraulicznych obrotowych stanowią rozwiązania

konstrukcyjne analogiczne do stosowanych w siłownikach pneumatycznych obrotowych, tzn.

z zębatką i kołem zębatym. Inną odmianą konstrukcyjną jest siłownik hydrauliczny

wahadłowy.

Na rys. 7 przedstawiono pierwszą odmianę siłownika hydraulicznego obrotowego, a na

rys. 8 - drugą jego odmianę. Zakres ruchu w tym przypadku wynosi 2π/3 rad. Siłownik

hydrauliczny obrotowy z przekładnią zębatą ma niską prędkość obrotową i stały moment siły

przy stałym ciśnieniu.

7

Rys. 7. Siłownik wahadłowy [w położeniu pokazanym na rysunku ruch obrotowy jest

zablokowany] (firma Rexroth Sigma)

Rys. 8. Siłownik z równoległymi tłokami (firma Rexroth Sigma)

Na rys. 9 pokazano prostą odmianę konstrukcyjną siłownika hydraulicznego ze stałymi

łopatkami. Łopatka ruchoma jest dołączona do wyjściowego trzpienia i może się obracać.

Zakres ruchu jest mniejszy niż 2π rad (wynosi ok. 11π/6 rad). Zdwojony układ łopatek

umożliwia zakres ok. 5π/6 rad, ale moment siły jest dwukrotnie większy przy tych samych

wymiarach zewnętrznych. Wirujący tłok ma mniejszą bezwładność i tarcie w porównaniu do

liniowego tłoka. Można je wykorzystywać dla przypadku, gdy stosunek mocy do masy jest

duży i kiedy napęd bezpośrednio działa na obciążenie. Można je również wykorzystywać jako

przeguby obrotowe między dwoma sąsiednimi członami robota.

8

Rys. 9. Siłownik obrotowy typu płytkowego: a) wersja z jedną płytką stałą, b) wersja z

dwoma płytkami ruchomymi

2.2. Silniki hydrauliczne ruchu obrotowego

W celu uzyskania nieograniczonego ruchu obrotowego wykorzystuje się różne rodzaje

silników hydraulicznych. W większości są to rewersyjne energetyczne urządzenia tłokowe

działające również jako pompy. Do podstawowych odmian konstrukcyjnych należą:



osiowy silnik hydrauliczny z pochyloną tarczą;



osiowy silnik hydrauliczny z pochylonym cylindrem;



silnik hydrauliczny z tłokami promieniowymi;



silnik hydrauliczny zębaty.

Przykładowy silnik hydrauliczny z pochylonym cylindrem jest pokazany na rys. 10.

Położenie bębna i tarczy silnika jest podobne do silnika z pochyloną tarczą. Kulowe złącza są

ulokowane we wgłębieniach tarczy związanej z wałem wyjściowym. Bęben opiera się na

sferycznej powierzchni tarczy rozdzielnika hydraulicznego. Objętość cylindra można

zmieniać przez pochylenie osi bębna względem osi wału wyjściowego.

9

Rys. 10. Silnik hydrauliczny z pochylonym cylindrem

Podstawowymi charakterystykami siłowników hydraulicznych są: wartość ciśnienia

roboczego oraz maksymalna dopuszczalna wartość ciśnienia poza przedziałem czasu. Inne

charakterystyki zależą od rodzaju siłowników hydraulicznych. Dla siłowników

hydraulicznych tłokowych ważna jest znajomość wartości znamionowych: przemieszczenia,

objętości, prędkości i masy części ruchomych, a dla silników hydraulicznych obrotowych -

wartości: stosunku objętości do przemieszczenia kątowego w m3/rad, maksymalnej

prędkości kątowej, znamionowego momentu siły oraz charakterystyk pokazanych na rys. 11.

10

Rys. 11. Charakterystyka silnika łopatkowego

2.3. Rozdzielniki hydrauliczne

Zadaniem rozdzielnika hydraulicznego jest skierowanie strumienia cieczy do

określonego miejsca obwodu hydraulicznego (najczęściej do jednej z komór siłownika lub

silnika hydraulicznego). Rozdzielniki hydrauliczne z konstrukcyjnego punktu widzenia

można podzielić na dwie grupy: suwakowe i gniazdowe.

Na rys. 12a jest przedstawiony schemat ideowy jednego z rozdzielników hydraulicznych

suwakowych (czterodrogowego trójpołożeniowego), który pozwala wyjaśnić zasadę działania

takiego rozdzielnika hydraulicznego, a na rys. 12b jest pokazany jego symbol graficzny.

Przemieszczający się w korpusie 1 suwak 2 może zajmować trzy położenia. W położeniu

środkowym obydwie komory silnika są odcięte od pompy lub akumulatora oraz od zbiornika.

Ciecz nie przepływa przez rozdzielnik hydrauliczny. W prawym skrajnym położeniu suwaka

2 pompa P zostaje połączona z komorą A silnika i równocześnie komora B silnika ze

zbiornikiem. Strumień cieczy jest kierowany do komory A silnika hydraulicznego. W lewym

skrajnym położeniu suwaka pompa P zostaje połączona z komorą S i równocześnie komora A

silnika ze zbiornikiem. Przepływ cieczy jest skierowany do komory B silnika hydraulicznego.

Rys. 12. Rozdzielnik suwakowy czterodrogowy trójpołożeniowy: a) schemat ideowy, b)

symbol graficzny

Poniżej przedstawiono uproszczony przekrój wzdłużny rozdzielnika hydraulicznego

jednostopniowego czterodrogowego dwupołożeniowego sterowanego elektrycznie w

wykonaniu firmy Rexroth oraz jego symbol graficzny, przy czym aby porównać wykonanie

11

elektromagnesów umieszczono po lewej stronie elektromagnes 1 prądu przemiennego

pracujący w powietrzu, a po prawej stronie elektromagnes 2 prądu stałego również pracujący

w powietrzu (produkowane seryjnie rozdzielniki hydrauliczne mają jednakowe elektromag-

nesy). Przez przyłożenie napięcia do cewki elektromagnesu powstaje siła osiowa

przemieszczająca zworę elektromagnesu. Zwora przez popychacz przemieszcza w skrajne

położenie suwak rozdzielnika. Na rysunku przedstawiony jest rozdzielnik hydrauliczny w

położeniu odpowiadającym przyłożeniu napięcia do cewki elektromagnesu 1. Pierścienie

uszczelniające zewnętrzne i wewnętrzne, umieszczone w tulejach 3 ustalonych sprężynami 4,

uniemożliwiają przedostanie się cieczy do elektromagnesów. Rozdzielniki hydrauliczne

sterowane elektrycznie są budowane dla natężenia przepływu do 1.66 dm

3

/s (100 dm

3

/min) i

ciśnień do 32 MPa.

Rys. 13. Rozdzielnik jednostopniowy czterodrogowy dwupołożeniowy sterowany

elektrycznie firmy Rexroth: a) przekrój wzdłużny, b) symbol graficzny

2.4. Serwozawory hydrauliczne

Serwozawory hydrauliczne dzieli się na przepływowe i ciśnieniowe. Serwozawory

hydrauliczne przepływowe, zwane także wzmacniaczami hydraulicznymi, służą do

wzmocnienia i przetwarzania w sposób ciągły małego sygnału wejściowego na duży sygnał

wyjściowy w postaci natężenia przepływu cieczy. Serwozawory hydrauliczne ciśnieniowe

zmieniają mały sygnał wejściowy na duży sygnał wyjściowy w postaci ciśnienia przy małym

natężeniu przepływu.

12

Serwozawory hydrauliczne ze sterowaniem elektrycznym nazywane są wzmacniaczami

elektrohydraulicznymi. Wzmacniacze tłoczkowe (suwakowe) umożliwiają ciągłą zmianę

strumienia cieczy roboczej do siłownika i ciągłą zmianę jej odpływu z siłownika przez zmianę

położenia zaworu w kształcie suwaka (rys. 14).

Rys. 14. Tłoczkowy wzmacniacz hydrauliczny: a) pozycja środkowa (spoczynkowa), b)

pozycja prawa, c) pozycja lewa, 1...5 – otwory (okna)

Wzmacniacz suwakowy składa się z cylindrycznego suwaka mającego trzy tłoki oraz z

tulei obejmującej suwak i mającej pięć otworów zwanych oknami. Okno wlotowe 4 służy do

doprowadzania cieczy roboczej przez pompę, okna robocze 1 i 2 służą na przemian do wpro-

wadzania i wyprowadzania cieczy roboczej do lub z komór siłownika; okna wylotowe 3 i 5

służą do odprowadzania cieczy roboczej do zbiornika tej cieczy. Wielkością wejściową

sterującą wzmacniacza suwakowego jest pozycja jego suwaka:



w pozycji środkowej suwaka (rys. 14a) okno wlotowe 4 oraz okna wylotowe

3 i 5 są zamknięte i ciecz robocza nie może przepływać przez wzmacniacz;



w pozycji prawej suwaka (rys. 14b) otwiera się droga między oknem

wlotowym 4 i oknem 1 oraz droga między oknem wylotowym 5 i oknem 2, a więc ciecz

robocza może wpływać do siłownika przez okno 1 i wypływać z niego przez okno 2;

13



w pozycji lewej suwaka (rys. 14c) otwiera się droga między oknem

wlotowym 4 i oknem 2 oraz droga między oknem wylotowym 3 i oknem 1, a więc ciecz

może wpływać do siłownika przez okno 2 i wypływać z niego przez okno 3.

Istotną cechą konstrukcji wzmacniacza suwakowego jest to, że oddziałujące na suwak

siły wywołane ciśnieniem cieczy roboczej częściowo kompensują się nawzajem, wskutek

czego przesunięcie suwaka wymaga niewielkich sił.

Obieg cieczy roboczej siłownika hydraulicznego tłokowego, sterowanego przez

wzmacniacz hydrauliczny tłoczkowy przedstawiono na rys. 15. W pozycji środkowej tłoczka

okno wlotowe 4 oraz okna wylotowe 3 i 5 są zasłonięte tłokami tłoczka. Stałość pozycji tłoka

roboczego, pomimo oddziałujących nań sił, zależy w tym przypadku od szczelności tłoka oraz

tłoczka. W zakresie poprawy szczelności poczyniono w ostatnim dziesięcioleciu duży postęp

dzięki udoskonalonej technologii obróbki oraz poprawie metod filtracji cieczy roboczej.

Przesunięcie tłoczka w lewo lub w prawo od pozycji pokazanej na rysunku powoduje

odpowiednio dopływ cieczy roboczej do prawej lub lewej komory siłownika, w wyniku czego

tłok przesunie się w lewo lub w prawo, przy czym ciecz z tej komory, która w wyniku ruchu

tłoka zmniejszy swoją objętość, zostaje poprzez wzmacniacz hydrauliczny tłoczkowy

wprowadzona do zbiornika cieczy roboczej. Ciecz robocza jest tłoczona do wzmacniacza

hydraulicznego pompą napędzaną indukcyjnym silnikiem elektrycznym. Przed

wprowadzeniem cieczy roboczej do wzmacniacza hydraulicznego przechodzi ona przez filtr

zaopatrzony w manometr. Filtr jest przeznaczony do oczyszczania cieczy roboczej z

zanieczyszczeń mechanicznych, groźnych dla szczelności tłoków suwaka i tłoka roboczego.

Jeżeli ciśnienie cieczy roboczej w filtrze przekracza wartość odpowiadającą nastawie

sprężyny zaworu przelewowego, to zawór ten wpuszcza część cieczy z filtru z powrotem do

zbiornika ograniczając w ten sposób górną wartość ciśnienia cieczy roboczej i maksymalną

siłę siłownika, zabezpieczając tym samym siłownik przed przeciążeniami. Po zaniku

przeciążenia zawór przelewowy przestaje przepuszczać ciecz roboczą do zbiornika i układ

pracuje normalnie.

14

Rys. 15. Obieg cieczy roboczej siłownika tłokowego sterowanego przez wzmacniacz; 1-5 –

otwory (okna wzmacniacza suwakowego)

Stosowane w robotyce serwomechanizmy są na ogół urządzeniami wielostopniowymi.

Ich rola polega na przemieszczaniu tłoczka rozdzielnika hydraulicznego w taki sposób, aby

odsłanianie okienka następowało proporcjonalnie do wartości elektrycznego sygnału

sterowania napięciowego lub prądowego.

Rozróżnia się dwa rodzaje śledzących zaworów hydraulicznych różniących się

sposobem sterowania tłoczkiem. Pierwszy rodzaj to zawory elektrohydromechaniczne (rys.

16), a drugi to serwozawory hydrauliczne z bezpośrednim sterowaniem elektrycznym. Na

rysunku poniżej pokazano zawór hydrauliczny firmy D.B.A. Air Eąuipment. Pierwszym

stopniem jest silnik hydrauliczny dwupozycyjny, w wirniku którego umieszczono przesłonę.

Powraca ona do położenia neutralnego pod działaniem sprężyny. Końce przesłony

ulokowano naprzeciw dwóch dysz wysokiego ciśnienia związanych z kalibrowymi

szczelinami. Każda przesłona zajmuje położenie neutralne, wydatki w dyszach są jednakowe,

stąd jednakowe są ciśnienia w kanałach sterowania tłoczka. W tej sytuacji tłoczek znajduje

się w środkowym położeniu między dwoma skalibrowanymi przeciwsprężynami. Przepływ

prądu w cewce powoduje obrót przesłony i następuje naruszenie równowagi wydatków w

dyszach. Powstaje różnica ciśnień w kanałach regulacyjnych tłoczka, który przemieszcza się

15

na taką odległość, że siła powrotna sprężyn kompensuje naruszanie równowagi

hydrostatycznej. Dobór elementów powinien zapewnić przenoszenie tłoczka proporcjonalnie

do wartości prądu.

Rys. 16. Serwozawór (zawór śledzący) firmy D. B. A. Air Equipment

2.5. Dwustopniowe wzmacniacze elektrohydrauliczne

Ponieważ sygnały sterujące zespół siłownik-wzmacniacz suwakowy pochodzą z

przetworników położenia ramion oraz z układu sterowania manipulatora, a więc mają z

reguły charakter elektryczny, sterowanie zespołem siłownik-wzmacniacz suwakowy

powinno być również zrealizowane za pomocą sygnałów elektrycznych. Wymaga to z

reguły stosowania wstępnego wzmacniacza hydraulicznego znajdującego się między

wzmacniaczem suwakowym a przetwornikiem elektryczno-mechanicznym, do którego

zostaje wprowadzony sygnał sterujący elektryczny. Rozwiązanie takie jest uzasadnione

tym, że gdyby sterować bezpośrednio suwak wzmacniacza na drodze elektrycznej (np. za

pomocą elektromagnesu), to potrzebne do tego celu siły, aczkolwiek małe, mogłyby być

uzyskane tylko przy użyciu elektromagnesu o odpowiednio dużej indukcji, a więc

mającego dużą stałą czasową, co popsułoby znacznie właściwości dynamiczne układu

sterowania siłownika.

16

Jedno z częściej spotykanych rozwiązań z wzmacniaczem wstępnym typu dysza-

przysłona nazywa się często dwustopniowym wzmacniaczem elektrohydraulicznym.

Stopień wyjściowy tego wzmacniacza stanowi wzmacniacz suwakowy, którego suwak

jest utrzymywany w pozycji środkowej przez parę sprężyn centrujących. Wzmacniacz ten

jest sterowany przez przeciwsobny wzmacniacz typu „dysza-przysłona". Dźwignia

przysłony, zamocowana w elastycznej membranie, zostaje odchylona z położenia

środkowego pod wpływem prądu płynącego przez cewkę, w wyniku czego nastąpi

wzrost tego z dwóch ciśnień kaskadowych p

1

lub p

2

, które odpowiada dyszy, do której

zbliżyła się przysłona oraz malenia drugiego z tych ciśnień. Różnica ciśnień kaskadowych

spowoduje przesunięcie suwaka wzmacniacza suwakowego i skierowanie cieczy roboczej

do odpowiedniej komory siłownika (rys. 17).

Rys. 17. Schemat dwustopniowego wzmacniacza elektrohydraulicznego

Wzmacniacz elektrohydrauliczny ma bardzo duży współczynnik wzmocnienia mocy

(rzędu dziesiątek lub nawet setek tysięcy), lecz jego charakterystyka statyczna (tj.

zależność między strumieniem (natężeniem przepływu) Q zasilającym siłownik a prądem

sterującym wzmacniacz elektrohydrauliczny w stanie ustalonym) ma strefę nieczułości

spowodowaną tym, że szerokość tłoków suwaka jest nieco większa od szerokości okien

oraz istnieniem oporów tarcia statycznego tłoków. Istnienie tej nieczułości doprowadza

17

do powstania pętli histerezy. Ze względu na jej szkodliwość przy sterowaniu położeniem

ramion manipulatora oraz całkujący charakter siłownika obejmuje się zwykle zespół

składający się z wzmacniacza elektrohydraulicznego oraz siłownika ujemnym

sprzężeniem zwrotnym od położenia tłoka lub łopatki siłownika. Sygnał sprzężenia

zwrotnego, pochodzący od przetwornika potencjometrycznego jest wprowadzony na

jedno z dwóch uzwojeń sterujących wzmacniacza elektrohydraulicznego. W wyniku

zastosowania sprzężenia zwrotnego układ, którego wejściem jest prąd sterujący

wzmacniacza elektrohydraulicznego, a wejściem położenie tłoka lub łopatki siłownika,

jest układem mającym wyrównanie z liniową charakterystyką statyczną. Istotę

linearyzującego i wyrównującego wpływu ujemnego sprzężenia zwrotnego można

wyjaśnić na podstawie schematu blokowego.

Rys. 18. Charakterystyka statyczna dwustopniowego wzmacniacza elektrohydraulicznego

Rys. 19. Schemat blokowy dwustopniowego wzmacniacza elektrohydraulicznego z

siłownikiem tłokowym i ujemnym sprzężeniem zwrotnym od położenia tłoka siłownika

18

Na rys. 20a przedstawiono przykładowo schemat ideowy wzmacniacza elek-

trohydraulicznego dwustopniowego WP3-10, produkowanego obecnie w Polsce przez PZL-

Hydral we Wrocławiu, a na rys. 20b jego logarytmiczną charakterystykę częstotliwościową.

Pierwszy stopień wzmocnienia stanowi zespół dysza - przysłona, a drugi -

czterokrawędziowy suwak sterujący. Przysłona 1 jest połączona z rdzeniem 2 momentowego

przetwornika elektromechanicznego 3 sprężystą rurką skrętną 4. Ciecz z pompy lub

akumulatora jest doprowadzana do dysz 5 i 6 przez zwężki stałe 7 i 8 i bardzo dokładny

filtr 9 wbudowany we wzmacniacz elektrohydrauliczy. Jeżeli przez uzwojenia obydwu

cewek przetwornika momentowego 3 płyną w przeciwnych kierunkach jednakowe prądy, to

momenty elektromagnetyczne znoszą się, przysłona 1 zostaje ustawiona w jednakowej

odległości od dysz 5 i 6, w komorach 10 i 11 panują jednakowe ciśnienia i suwak sterujący

14 zostaje ustawiony przez sprężyny 12 i 13 w położeniu, w którym obydwie komory silnika

hydraulicznego zostają odcięte zarówno od pompy, jak i od zbiornika. Pojawienie się

różnicy natężeń prądów płynących w uzwojeniach cewek powoduje wytworzenie momentu

obrotowego, który obraca przysłonę 1 i w wyniku tego w komorach 10 i 11 powstają różne

ciśnienia. Ciśnienia te oddziałują na czołowe powierzchnie suwaka 14, wytwarzają siłę

wypadkową, która przemieszcza go do położenia, w którym wszystkie siły działające na

suwak równoważą się. Temu położeniu suwaka sterującego 14 odpowiada ściśle określona

wartość natężenia przepływu cieczy podawanej do jednej z komór silnika hydraulicznego.

Równocześnie ciecz z drugiej komory silnika jest odprowadzana przez wzmacniacz

elektrohydrauliczny do zbiornika.

19

Rys. 20 Wzmacniacz elektrohydrauliczny WP3-10: a) uproszczony przekrój dwustopniowego

wzmacniacza elektrohydraulicznego, b) charakterystyki amplitudowa i fazowa

Wzmacniacz elektrohydrauliczny dwustopniowy 4WRZ składa się z zaworu

hydraulicznego sterującego ciśnieniem, który stanowi stopień wejściowy, i zaworu

suwakowego sterującego kierunkiem i wartością natężenia przepływu, który stanowi stopień

główny wzmacniacza.

Zawór sterujący ciśnieniem składa się z korpusu 1, dwóch suwaków 2 i 3,dwóch

sprężyn 4 i 5 i dwóch elektromagnesów proporcjonalnych 6 i 7. Zawór suwakowy składa się

z korpusu 8, suwaka głównego 9 i dwóch sprężyn 10 i 11. Zasada działania tego

wzmacniacza elektrohydraulicznego jest następująca: dla zerowego elektrycznego sygnału

wejściowego obydwie komory 12 i 13 są połączone przez otwory w suwakach 2 i 3 z

przyłączem Y, z którego olej jest odprowadzany do zbiornika. W związku z tym w

komorach 12 i 13 panują zerowe ciśnienia, a suwak główny 9 jest utrzymywany przez

sprężyny 10 i 11 w położeniu środkowym, w którym przyłącza A i B odbiornika są odcięte

zarówno od przyłącza źródła zasilania P, jak i zbiornika Z. Gdy prądowy sygnał wejściowy

zostanie podany np. na cewki elektromagnesu proporcjonalnego 6, to wtedy suwak 2

pokonując opór sprężyny 4 przemieści się w prawo, wskutek czego połączy komorę 12

przez podłużny i poprzeczny otwór w suwaku 2 z wewnętrznym przyłączem zasilającym P

lub zewnętrznym X i równocześnie odetnie połączenie komory 12 z przyłączem Y. W

komorze 12 zostaje teraz wytworzone ciśnienie o wartości proporcjonalnej do prądowego

sygnału wejściowego przyłożonego do cewki elektromagnesu proporcjonalnego 6. Ciśnienie

to działając na czołową powierzchnię suwaka głównego 9 powoduje jego przemieszczanie

w prawo do położenia, w którym zrównoważą się wszystkie siły działające na suwak.

Suwak główny 9 zajmuje więc położenie proporcjonalne do prądowego sygnału

wejściowego, w którym łączy przyłącze źródła zasilania P z przyłączem B odbiornika i

20

jednocześnie przyłącze A odbiornika z przyłączem Z zbiornika. W przypadku podania

prądowego sygnału wejściowego na cewkę elektromagnesu proporcjonalnego 7 następuje

na tej samej zasadzie przemieszczenie suwaka głównego 9 w lewo od położenia, w którym

przyłącze źródła zasilania P zostaje połączone z przyłączem A odbiornika i jednocześnie

przyłącze B odbiornika z przyłączem Z zbiornika. Symetryczne wycięcia 14 wykonane na

obwodzie suwaka głównego 9 powodują, że powierzchnia okien dławiących zaworu

suwakowego zwiększa się wraz z przemieszczeniem suwaka.

Rys. 21. Przekrój wzdłużny dwustopniowego wzmacniacza elektrohydraulicznego

proporcjonalnego 4WRZ firmy Rexroth

2.6. Przełączniki suwakowe

W przypadku gdy położenie ramion manipulatora jest sterowane sekwencyjne, a

ramiona są napędzane hydraulicznie, zamiast wzmacniaczy suwakowych stosuje się

przełączniki suwakowe.

Najczęściej spotyka się przełączniki dwupołożeniowe dwudrogowe lub trójdrogowe.

Schematy tych przełączników są przedstawione na rys. 22 i 23.

21

Rys. 22. Przełącznik suwakowy dwupołożeniowy dwudrogowy sterowany hydraulicznie: a)

wyłączony, b) załączony, c) symbol graficzny

Rys. 23. Przełącznik suwakowy dwupołożeniowy trójdrogowy sterowany hydraulicznie: a)

wyłączony, b) załączony, c) symbol graficzny

Przełączniki te są załączane hydraulicznie i wyłączane pod wpływem sprężyny

powrotnej przy zaniku ciśnienia sterującego. Spotyka się również przełączniki suwakowe

sterowane mechanicznie (za pomocą dźwigni), elektrycznie (za pomocą elektromagnesów) i

elektrohydrauliczne (za pomocą wzmacniacza elektrohydraulicznego). Rysunek 24 obrazuje

zasady sterowania siłowników za pomocą omówionych przełączników. W przypadku

sterowania za pomocą dwóch przełączników dwudrogowych, jeden z nich jest używany do

napełniania komory siłownika powiększającej swoją objętość, a drugi do opróżniania

komory zmniejszającej swoją objętość, a przy ruchu w przeciwną stronę ich role się

zmieniają. W przypadku sterowania za pomocą jednego przełącznika trójdrogowego jedna z

dróg służy do napełniania komory powiększającej swoją objętość, a druga — do

opróżniania komory zmniejszającej swoją objętość.

22

Rys. 24. Sterowanie siłowników za pomocą przełączników dwupołożeniowych: a)

dwudrogowych, b) trójdrogowych

Obydwa typy przełączników umożliwiają wyłącznie doprowadzenie cieczy

roboczej do komory siłownika lub odprowadzenie jej z komory siłownika, lecz nie

umożliwiają utrzymania cieczy roboczej w komorach. Stąd do utrzymania zadanej pozycji

tłoka stosuje się przesuwalne ograniczniki mechaniczne ruchu tłoka zbudowane w

sposób wytrzymujący jego siłę nacisku.

Posługiwanie się ogranicznikami mechanicznymi nie jest konieczne przy stosowaniu

przełączników suwakowych trójpołożeniowych czterodrogowych. Przełączniki te mają

konstrukcję podobną do konstrukcji wzmacniaczy suwakowych i działają na podobnej

zasadzie. Suwaki tych przełączników mogą znajdować się jednak tylko w jednej z trzech

pozycji. W pozycji środkowej znajduje się suwak wówczas, gdy oddziałują nań tylko

siły sprężyn centrujących. Przełączenie do jednej z dwóch pozycji skrajnych może nastąpić

podobnie jak dla przełączników dwupołożeniowych — na drodze hydraulicznej,

mechanicznej, elektrycznej lub elektrohydraulicznej. Strumień Q cieczy roboczej do

siłownika sterowanego takim przełącznikiem może być równy zeru (przy czym ciecz

jest utrzymywana w komorach, a więc tłok zachowuje osiągniętą pozycję) lub równy

Q

max

, albo -Q

max

.

23

Rys. 25. Przełączniki suwakowe trójpołożeniowe czterodrogowe różnych typów i ich symbole

(pod nimi) 1-upust, 2-do prawej strony cylindra siłownika, 3-zasilanie, 4-do lewej strony

cylindra siłownika.

Suwaki tych przełączników:

 znajdują się w pozycji środkowej dla unieruchomionych siłowników. Pozycję tę

uważa się za odpowiadającą wyłączeniu przełącznika;

 w celu uruchomienia siłowników suwaki zostają przez układy sterowania robota

załączone w odpowiednich kierunkach;

 są przez wyłączniki drogowe wyłączane po osiągnięciu przez tłoki lub łopatki

siłowników zadanych położeń.

Konstrukcja wszystkich typów przełączników suwakowych zapewnia, podobnie jak

konstrukcja wzmacniaczy suwakowych, kompensację sił oddziaływania cieczy roboczej na

suwak, wskutek czego przesunięcie suwaka wymaga również bardzo małych sił.

3. Napędy pneumatyczne

Napęd pneumatyczny wykorzystuje środowisko ściśliwe, na ogół sprężone powietrze.

Zaletą tego typu napędu jest łatwość uzyskiwania powietrza do zasilania układu oraz

możliwość łączenia układu z atmosferą po zakończeniu cyklu pracy. Niskie ciśnienie w

porównaniu z napędem hydraulicznym czyni ten rodzaj napędu bezpiecznym w eksploatacji.

Ponadto powietrze nie ma własności lepkich i ma dobre własności dynamiczne. Również

niewielka sztywność (wysoka podatność powietrza) korzystnie odróżnia go od cieczy.

24