NAPĘDY ROBOTÓW

PRZEMYSŁOWYCH

6.1. Przeznaczenie
napędów i zakres ich
działania

NAPĘDY ROBOTÓW PRZEMYSŁOWYCH

silnik prądu stałego

komutato- bezkomuta-

rowy rowy

silnik skokowy

silnik synchroniczny

silnik asynchroniczny

zasilacz prądu stałego

tyrystorowy tranzystoro-

wy

falownik

regulator

układ prostowniczy

regulator

skokowy

prądu przemiennego

prądu stałego

siłowniki

liniowe

obrotowe

mięśniowe

wahadłowe

zasilacz hydrauliczny

serwozawór

elementy sterujące

(zawory)

układ przygotowania

powietrza

regulator

elektryczny

elektrohydrauliczny

pneumatyczny

siłownik

liniowy

silnik

obrotowy

impulsowy

zasilacz

elektroniczny

Rok 1970

58%

2%

40%

Rok 1980

37%

18%

45%

Rok 1990

20%

45%

35%

Rok 2000

2%

92%

6%

Rys. 6.2. Zastosowanie w robotach różnych napędów w ostatnich trzydziestu

latach XX wieku

napęd pneumatyczny

napęd hydrauliczny

napęd elektryczny

6.2. Napędy pneumatyczne

Rys. 6.3. Schemat pneumatycznego napędu robota; 1–króciec

wlotu powietrza, 2–zawór odcinający, 3–oddzielacz wilgoci, 4–

zawór redukcyjny, 5–manometr, 6–smarownica, 7–zespół zaworów

rozdzielających

Rys. 6.4. Siłownik pneumatyczny jednotłoczyskowy dwustronnego

działania; 1–tuleja, 2–zespół tłoka z tłoczyskiem, 3, 4–pokrywy, 5–tuleja

prowadząca, 6–pierścień zgarniający, 7–pierścień uszczelniający, 8–

zawory zwrotne, 9–zawory dławiące, 10, 11–amortyzatory

Rys. 6.5. Pneumatyczny siłownik

beztłoczyskowy z przeciętą tuleją

cylindrową; 1–tuleja cylindrowa, 2–tłok,

3–zderzaki, 4–suwak, 5,6–uszczelki,

7,8–pokrywy, 9, 10–otwory

doprowadzające powietrze

Rys. 6.6. Pneumatyczny siłownik beztłoczyskowy ze sprzęgiem

magnetycznym; 1–cienko ścienna tuleja o specjalnych własnościach

magnetycznych, 2–tłok, 3–magnesy trwałe umieszczone w tłoku, 4–suwak,

5–magnesy trwałe umieszczone w suwaku, 6–otwór doprowadzający

powietrze, 7–uszczelka, 8–otwór odpływowy powietrza, 9,10–pokrywy, 11–

uszczelka, 12–rurka, 13–otwory odpływowe, 14–korpus

Rys. 6.7. Siłownik pneumatyczny wahadłowy: 1–wał

wyjściowy, 2–zderzaki do nastawiania kąta obrotu,

3–łopatki

Sztuczne mięśnie płynowe wypełniane cieczą – sztuczne mięśnie hydrauliczne HAM
(Hydraulic Artificial Muscle) lub gazem – sztuczne mieśnie pneumatyczne PAM
(Pneumatic Artificial Muscle) wykonuje są z elastycznej przepony w kształcie rurki
(balonu, mieszka lub worka), wykonanej z gumy, lateksu lub silikonu, oplecionej
elastyczną siatką z rozciągliwego i elastycznego włókna silikonowego. Siatka
mocowana na końcach mięśnia tworzy rodzaj sztucznych ścięgien. Właściwości
mięśni płynowych uzasadniają ich porównanie do biologicznych mięśni
szkieletowych. W mięśniach pneumatycznych jako czynnik roboczy wykorzystuje o
własnościach elektroreologicznych i magnetoreologicznych. Skurcz tych mięśni
zależy od ciśnienia płynu sterowanego zaworami

Fot. 1. Sztuczne mięśnie

pneumatyczne: a – Shadow, b –

Festo, c –

wyprodukowany w PŁ

Rys. 2. Przegub napędzany

parą mięśni

Sztuczne mięśnie zbudowane z nanorurek NAM (Nanotube
Artificial Muscle), wynalezione w Instytucie Maxa Plancka
(Stuttgart), produkowane są przez firmę AlliedSignal Inc.
Wzdłuż węglowych nanorurek ułożone są krążki zbudowane
z 14 atomowego węgla. Submikroskopowy węgiel ukształtowany
w postaci nanorurki wypełniony jest elektrolitem. Po
doprowadzeniu prądu sztuczny muskuł NAM kurczy się lub
wydłuża. Z miliona nanorurek buduje się włókna mięśni
o dowolnej długości, które przypominają strukturę mięśnia
naturalnego.
Sztuczne biomięśnie (BioArificial Muscle) zbudowane są
z kurczliwego polimeru wykonanego z włókna poliakrylonitrylu
(PAN), poliakrylonitrylu – polipyrolu (PAN-PPY) oraz polialkoholu
winylowego lub polikwasu akrylowego (PVA-PAA)
o średnicy 2,5 μm. Charakterystyka mięśnia siła-wydłużenie
jest liniowa, w ciągu 20 ms mięśnie polimerowe kurczą się
o 20%. Sztuczne mięśnie polimerowe w szybkości działania
są najbardziej podobne do działania ludzkich mięśni, ale ich
siła jednostkowa (na 1cm2) jest dwa razy większa od siły
mięśnia naturalnego.

Sztuczne biomięśnie zbudowane z kompozytów polimerowych
IPMC (Ionic Polymer-Metal Composite) i IPCC (Ionic
Polymer Conductor Composites) wykazują zdolność odkształcenia
pod wpływem prądu o małym napięciu, są lekkie, łatwo
sterowalne, mają naturalne właściwości tłumienia drgań oraz
są bardzo elastyczne.

Sztuczne biomięśnie polimerowe żelowe wypełnione są
płynem żelowym wrażliwym na zmianę liczby pH – IPG (Ionic
Polymeric Gels) lub na zmianę prąd elektrycznego – EAPG
(Electro-Active Polymer Gel) i CPG (Contractile Polymer Gel)

Sztuczne mięśnie zbudowane z polimerów elektroaktywnych
EAPAM (Electroactive Polimers Artificial Muscles), elektrostrykcyjnych
EPAM (Electrostrictive Polymer Artificial Muscles)
i dielektrycznych DEAMA (Dielectric Elastomer Artificial
Muscle Actuators). Działanie tych mięśni polega na pobudzeniu
prądowym dwóch elektrod, w wyniku tego powstaje
różnica potencjałów elektrycznych wywołująca pole magnetyczne,
które wpływa na zmianę wymiarów geometrycznych –
zmniejszenie grubości i wydłużenie – filmu polimerowego lub
elastomerowego. W filmie polimerowym i elastomerowym
powstaje efekt ciśnieniowy Maxwella, zależny od podatności
materiału.

Sztuczne mięśnie wykorzystujące efekt piezoelektryczny
stosowane są w mikrosystemach elektromechanicznych
MEMS (Micro Eletro Mechnical System). Energia dostarczana
do elementu piezoelektrycznego powoduje jego odkształcenie,
wówczas piezoelement połączony z ruchomym elementem
tworzy mikroukład mięśniowy.
– Sztuczne mięśnie w kształcie sprężyny lub spirali z drutu
wykonanego z materiałów o właściwościach z tzw. „pamięcią
kształtu”. W materiałach z „pamięcią kształtu” wykorzystuje się
stopy Ti-Ni (SMA – Shape Memory Alloy) oraz stopy Ti-Ni
i silikonu (SMAS – Shape Memory Alloy–Silicone).

Rys. 4. Schemat kinematyczny dźwigni rozpieranej mięśniem
pneumatycznym:
a) w stanie początkowym, b) w stanie napełnienia

6.3. Napędy elektrohydrauliczne

Rys. 6.8. Schemat hydraulicznego napędu robota

Rys. 6.9. Wzmacniacz elektrohydrauliczny suwakowy

jednostopniowy; 1–suwak czterokrawędziowy, 2,3–

elektromagnesy, 4,5–płaskie sprężyny

p

1

= p

2

= 0,5p

0

6.4.5. Napędy z silnikami skokowymi

V I I

3

2

V I

2

2

V

1

2

V I I I

I

4

2

1

1

1

3

I I I

1

4

I V

2

1

I I

















3

4

30

360

m

Z

360

R

r

Rys. 6.26. Struktura czterofazowego silnika skokowego
reluktancyjnego

Rys. 6.27. Silnik skokowy pięciosekcyjny: 1 - wirnik, 2 - stojan

0

3

5

z

360

=





0

5

,

1

10

z

360

=





6.5. Przekładnie mechaniczne

Tabela 6.1. Kryteria dla przekładni mechanicznych w napędach robotów

KRYTERIUM

WŁAŚCIWOŚCI

WARTOŚĆ

Dokładność pozycjonowania luz kątowy

sztywność

równomierność biegu

< 3`
> 10

5

N - m/rad

 3` /obr

Prędkość

sprawność
moment bezwładności

> 70 %
< 6-10

4

kg -m

2

Stabilność

odporność na przeciążenia
żywotność

> 50 %
> 5000 godzin

Wytrzymałość
eksploatacyjna

koszt utrzymania
zwartość budowy

niski
duża

Możliwości integracyjne

dowolność położenia
odwrotność kinematyki

tak
tak

Przekazujące ruch

obrotowy

Zamieniające ruch

obrotowy na postępowy

Przekładnia walcowa

Przekładnia śrubowa

Przekładnie zębate

Przekładnia

zębatkowa

Mechanizmy dźwigniowe

Przekładnia pasowa

zębata

Przekładnia
łańcuchowa

Przekładnie

redukujące

Przekładnia

planetarna

Przekładnia

falowa

Przekładnia
cykloidalna

Przekładnia

precesyjna

Przekładnia

ślimakowa

Przekładnie cięgnowe

Sprzężenie cierne

Łańcuchowa

Pasowa zębata

Sprzężenie kształtowe

Linowa

Pasowa klinowa

Przekładnie mechaniczne w robotach przemysłowych

Rys. 6.28. Podział przekładni

mechanicznych w robotach

przemysłowych

6.5.1. Przekładnie mechaniczne przekazujące ruch
obrotowy

6.5.1.1. Mechanizmy dźwigniowe

1

4

2

3

R

1

12

5

11

13

15

16

7

8

14

6

10

9

R

2

S1

S2

6.5.1.2. Przekładnie zębate

a)

b)

c)

Rys. 6.31. Rodzaje przekładni zębatych: a) walcowa zewnętrzna, b)

walcowa wewnętrzna, c) zębatkowa (koło zębate+ listwa zębata)

Sposoby kasowania luzu międzyzębnego

Przekładnia o zmiennej korekcji uzębienia w

jednego kole. Kasowanie luzu obwodowego

odbywa się prze osiowe przesuwanie koła

współpracującego.

Przekładnia z kołem nożycowym. Kasowanie luzu

obwodowego dzięki wytworzeniu napięcia

wstępnego między dwoma połówkami koła

nożycowego.

Przekładnia z dwoma parami kół pomiędzy
którymi wytworzone jest napięcie wstępne.

Przekładnia z jednym kołem podatnym

sprężyście. Kasowanie luzu obwodowego dzięki

eliminacji luzu wierzchołkowego.

Przekładnia z jednym kołem zamocowanym do

podatnej sprężyście piasty. Kasowanie luzu

obwodowego dzięki eliminacji luzu

wierzchołkowego

6.5.1.3. Przekładnie cięgnowe

1

2

Rys. 6.32. Budowa przekładni pasowej z pasem

zębatym: 1-pas zębaty, 2-koła zębate

6.5.2. Przekładnie mechaniczne do zmiany ruchu

obrotowego na postępowy

Rys. 6.33. Przykładowe rozwiązania przekładni śrubowej tocznej: a) z

zewnętrznym obiegiem elementów tocznych, b) z wewnętrznym

obiegiem elementów tocznych

1

2

4

5

3

6

Rys. 6.34. Konstrukcja wysuwnego

ramienia robota o kinematyce

równoległej

3

2

1

Rys. 6.35. Przekładnia

zębatkowa jako mechanizmu

zamiany ruchu obrotowego

na postępowy: 1–

przekładnia pasowa, 2–

prowadnica, 3–prowadnik

6.5.3. Redukujące przekładnie mechaniczne

Tabela 6.4. Zestawienie parametrów przekładni silnie redukujących [7]

Typ

przekładni

Minimalne

przełożenie Sprawność

Max.

prędkość

obrotowa

Luz kątowy

i



n [obr/min]



Walcowa

1st. 1:10

2st. 1:30

3st. 1:125

4st. 1:625

0,98-0,99

50 000

1st < 3’

(napięcie

wstępne)

Ślimakowa

1st. 1:75

2st. 1:250

0,85-0,96

3000

<3’

Planetarna

1st. 1:87

0,94-0,97

3000

<0,1’

(napięcie

wstępne)

<1’

<3’

Falowa

1:320

0,80-0,90

3000

<6’

<3’

Cykloidalna

1st. 1:87

2st. 1:6000

3st.

1:100000

0,80-0,90

3000

<6’

<3’

Precesyjna

1st. 1:120

2st. 1:4000

0,60-0,70

2000

6.5.3.1. Przekładnie planetarne

1

3

2

1

3

2

a

b

Rys. 6.36. Schemat i budowa przekładni planetarnych o tej samej

wartości bezwzględnej przełożenia, lecz o przeciwnych znakach: a)

przekładnia z jednym kołem obiegowym (i<0), b) przekładnia z dwoma

kołami obiegowymi (i>0), 1-koło zewnętrzne, 2-koło wewnętrzne, 3-

jarzmo z satelitami

6.5.3.2. Przekładnie falowe

Rys. 6.37. Schemat przekładni falowej: G-generator, E-

elastyczne koło zębate, S-sztywne koło zębate o uzębieniu

wewnętrznym

E

E

S

nom

z

z

z

i





Przypade

k

Schemat

Przełożenie

Uwagi

1

Unieruchomione koło

S. Napędzany

generator G. Odbiór

napędu na kole E

1

Unieruchomiony

generator G.

Napędzane koło E.

Odbiór napędu na

kole S

1

Unieruchomione koło

E. Napędzany

generator G. Odbiór

napędu na kole S

2

Unieruchomione koło

S. Napędzane koło E.

Odbiór napędu z

generatora

2

Unieruchomione koło

E. Napędzane koło S.

Odbiór napędu z

generatora

2

Unieruchomiony

generator.

Napędzane koło S.

Odbiór napędu z koła

E.

Tabela 6.5. Zależności kinematyczne przekładni falowych

S

G

E

S

G

E

S

G

E

S

G

E

S

G

E

S

G

E

nom

E

S

E

i

z

z

z

i









1

i

1

z

z

i

nom

E

S







1

i

1

z

z

z

i

nom

E

E

S









nom

S

E

E

i

1

z

z

z

i









nom

nom

E

S

S

i

1

i

z

z

z

i









nom

E

S

i

1

z

z

i







6.5.3.3. Przekładnie cykloidalne

Rys. 6.40. Przekładnia trochoidalna: 1-wał wejściowy (wysokoobrotowy), 2-

mimośród na wale 1, 3-koło centralne z zębami wewnętrznymi,

trochoidalnymi, 4-wał wyjściowy (zdawczy), 5-sworznie koła palcowego, 6-płyta z

otworami na sworznie 5, 7-łożyska koła centralnego 3

6.3.3.4. Przekładnie precesyjne

2

5

3

4

1

2

5

3

4

1

θ

2

5

3

4

1

Rys.6.41. Różne typy przekładni precesyjnych: a) z satelitą połączoną z

obudową za pomocą mieszka, b) z kołem stożkowym z rolkami, c) o

prostoliniowo- łukowym zazębieniu ; 1- satelita, 2- koło centralne, 3- wał

wyjściowy, 4- jarzmo, 5- wał wejściowy

a)

b)

c)