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