4.2.3 Крокові електродвигуни

Крокові електродвигуни також отримали застосування в приводах промислових роботів. В приводі з кроковим двигуном немає необхідності в датчиках зворотного зв'язку, як у всіх попередніх, для регулювання положення. Завдяки періодичним перемиканням обмоток статора крокового двигуна магніторушійна сила статора повертається на певний кут, чим здійснюється поворот ротора двигуна на такий же певний крок. Крокові двигуни вельми різні за конструкціями і принципам керування.

Ці двигуни перетворюють керуючі електричні імпульси в дискретні кутові або лінійні переміщення. Такий двигун складається із статора і ротора (рисунок 5.10 а). На магнітопроводі статора є ряд просторово зсунутих обмоток, на які по черзі подаються прямокутні імпульси струму частотою 10...10⁴ Гц (рисунок 5.10 б, в). Імпульси струму і₁ і і₂ намагнічують полюси статора із змінною полярністю N1 - S1 - N1 - S1 або N2 - S2 - N2 - S2. Зміна напряму струмів в обмотках статора приводить до відповідного перемагнічуванню полюсів і встановленню нової протилежної полярності. Кількість полюсів ротора вдвічі менше кількості полюсів статора.

Кожне перемикання обмоток статора приводить до повороту результуючого магнітного поля двигуна і викликає синхронне переміщення ротора на один крок. Крок ротора двигуна в градусах визначається як = 360/(2рт), де 2р — число явних полюсів ротора; т — число просторово зміщених обмоток статора. Двигун дозволяє повертати його ротор на частки градуса.

рокові двигуни можуть працювати також в режимах синхронного обертання і фіксації ротора в певному напрямі. Вони застосовуються в електроприводах промислових роботів та устаткування, де потрібне точне (прецизійне) переміщення.

5 Віброприводи промислових роботів

Для маніпулювання мініатюрними виробами застосовуються нові типи двигунів — прецизійні високочастотні вібродвигуни. За принципом дії вони є п’єзоелектричними двигунами. Існує багато їх різновидів як для поступальних, так і для обертальних переміщень з мікронною точністю і з великим діапазоном регулювання швидкості. Вібродвигуни зосновані на перетворенні високочастотних пружних коливань ланок у вигляді стоячих або біжучих хвиль. Перетворювані коливання мають частоти з малими амплітудами в ультразвуковому діапазоні. Такі вібродвигуни можуть мати декілька ступенів рухливості для твердих ланок. Якщо застосувати еластичні ланки з п'єзоактивних матеріалів, то можна отримати маніпулятори, що гнучко деформуються.

Вібродвигуни характеризуються високою роздільною здатністю по переміщенню, широким температурним діапазоном, відсутністю впливу паразитних електричних або магнітних полів, а також добрими динамічними властивостями, в перехідному режимі руху (пуск, зупинка, крокові режими), оскільки виброэлемент з моменту відключення живлення стає гальмуючим. Ці властивості вібродвигунівдозволяють створити прецизійні мікророботи, що маніпулюють об'єктами невеликої маси з дуже високою точністю, зокрема при збірці складних мікроелектронних схем.

Принцип дії вібродвигунів аналогічний принципу дії загального класу механізмів перетворення коливань в рух, але з тією різницею, що для останніх граничною областю робочих частот є низькі частоти (до 1 тис. Гц), а для вібродвигунів— високі (більше 20 тис. Гц). Амплітуди коливань вібродвигунів досягають 0,110^-3 мм в тихохідних і 0,1 мм в швидкохідних варіантах.

Принцип дії вібродвигунів може бути розглянутий виходячи з виду взаємодії перетворювача і переміщуваного тіла (ротора — для пристроїв обертальної дії і повзуна— для пристроїв поступальної дії). Найбільш характерними представниками такого роду пристроїв є вібродвигуни, побудовані на схемі з косими ударами великої частоти, зоснованими на підсумовуванні тангенціальних складових ударного імпульсу. По гіпотезі сухого тертя, тангенціальна складова ударного імпульсу пропорційна його нормальній складовій, а коефіцієнт пропорційності рівний коефіцієнту сухого тертя f_тр.

На рисунку 5.11 а показаний перетворювач коливань, що представляє собою ланку, що коливається, 2 на пружних підвісках з жорсткістю С₁ і С_{2, тобто коливальну систему із зосередженими параметрами з двома ступенями свободи. Двовимірний рух ланки, що коливається,} 2 визначає і нормальну, і тангенціальну складову швидкості удару при нерухомому роторі 1. Зсув по фазі  гармонійних коливань ланки 2 по відповідних ступенях свободи забезпечує необхідну для приведення в обертання ротора 1 синхронізацію поворотно поступальних рухів ланки 2, а співвідношення С₂ > С₁ визначає характер взаємодії елементів 1 і 2 вібродвигуна. Тривалість взаємодії залежить від параметрів А₁ і А₂ і _{частоти коливань } ланки 2.

Двовимірний рух активного елемента — ланки, що коливається, 2, може обумовлюватися не тільки сукупністю поздовжніх коливань по взаємно перпендикулярних осях, але і будь-якою комбінацією поздовжніх, поперечних, радіальних, згинних, крутильних і зсуваючих коливань. Так, на рисунку 5.11 б зображена схема, що пояснює принцип роботи вібродвигуна ротаційної дії з поздовжньо-крутильними коливаннями активного елемента 2. Поздовжні коливання з частотою _ і амплітудою А забезпечують нормальну складову швидкості удару, а крутильні коливання з кутом підкручення В і частотою _ — тангенціальну складову. Синхронізація дії обох коливань повинна забезпечити обертання ротора / в необхідному напрямі, що досягається зсувом  по фазі обох коливань.

У вібродвигуна, схема якого зображена на рисунку 5.11 в, активний елемент 2 здійснює радіально-крутильні коливання, причому радіальні коливання з амплітудою А і частотою _ забезпечують нормальну складову ударного імпульсу, а крутильні коливання з кутом В підкручення з частотою _ — тангенціальну складову. Як і в попередніх двох схемах, синхронізацію дії цих двох складових на ротор 1 забезпечуємо зсувом  по фазі коливань. Взаємодія елементів 1 і 2 може здійснюватися як по внутрішній поверхні порожнистого ротора (як показано на схемі), так і із зовнішнім зачепленням ротора

Двовимірні коливання в зоні контакту можуть збуджуватися однокомпонентними перетворювачами поздовжніх коливань, активної ланки 2 (рисунок 5.11 г). Друга складова коливань в зоні контакту виникає завдяки зинним коливанням елемента 2 в площини XOY, які збуджуються проекцією ударного імпульсу на вісь У. Для забезпечення максимальних швидкостей; обертання  ротора 1 необхідне виконання умови збігу резонансних частот поздовжніх і згинних коливань, що досягається зміною (підбором) жорсткості С пружної підвіски, частотою обурюючих поздовжніх коливань активного елемента 2, його геометрією і матеріалом. Проте найбільш найбільш ефективною є зміна умов кріплення вільного кінця елемента 2, зокрема підбором кута  (рисунок 5.11 д). Проте не дивлячись на відносну простоту схеми виконання однокомпонентних вибровозбудителей, вони не забезпечують симетричного реверсу руху, що звужує область їхнього застосування.

Типова схема високочастотного вибродвигателя представлена на рисунку 5.12. До рухомої ланки 4 за допомогою пружних елементів 2 і 3 (жорсткість С₁ > С₂) притиснутий віброперетворювач 1. Він підключений до блоку 5, що є генератором електричних коливань. Блок керування 6 задає віброперетворювачу 1 коливання необхідної форми і виду залежно від сигналу керування U. Збуджуються двовимірні коливання, причому виникає постійна складова сили по осі х, чим і приводиться в рух ланка 4. Можуть здійснюватися різні зворотні зв'язки: за положенням 7, за швидкістю 8, за силою 9, за амплітудою коливань. Ланцюг А служить для стабілізації процесу збудження коливань.

Крім того, або іншого типу двигуна до складу приводу для кожного ступеня рухливості маніпулятора входять: підсилювачі потужності, передавальні пристрої, а також коректуючі ланцюги, датчики зворотних зв'язків по швидкості і положенню, а іноді і силомоментні датчики. Проте не у всіх типах приводів обов'язково присутні всі ці елементи. Їхня наявність повністю необхідна в замкнутих слідкуючих приводах для контурних і контурно-позиційних систем управління роботів. Більшість пневмоприводів, частина гідроприводів і приводи, з кроковими електродвигунами діють по розімкненому циклу.

11