CC BY
46ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ И ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА УДК 681.587
ВЫБОР СЕРВОПРИВОДА ДЛЯ МАНИПУЛЯТОРА МЕХАТРОННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
А. Ю. Карпутина
ФГБОУ ВО «Брянский государственный университет имени академика И.Г. Петровского»
В статье рассмотрены конструкции, характеристики и принципы работы сервоприводов. Предложена методика выбора сервопривода для передвижения звеньев манипулятора, входящего в состав ме-хатронного технологического комплекса.
Ключевые слова: сервопривод, сервомотор, манипулятор, технологический комплекс.
Многозвенные манипуляторы с электрическим приводом получили широкое распространение в качестве исполнительных органов в составе мехатронных технологических комплексов в машиностроении и приборостроении [1, 2]. Для привода звеньев манипулятора используются сервоприводы на базе сервомоторов. Сервомоторы, в отличие от электродвигателей постоянного или переменного тока или шаговых моторов, не вращаются постоянно, а используются для позиционирования и удерживания объектов [1, 3].
Сервоприводы различаются по размерам с общепринятым расположением крепёжных элементов. Их можно разделить на следующие группы [4]:
• малые сервоприводы: масса 8-25 г, размеры крепления 22*15*25 мм,
• стандартные сервоприводы: масса 40-80 г, размеры крепления 40*20*37 мм,
• большие сервоприводы: масса 50-90 г, размеры крепления 49*25*40 мм.
Конструктивно сервопривод представляет собой сервомотор (как правило, постоянного тока) с редуктором или иным передаточным механизмом (рис. 1). Последнее звено передаточного механизма приводит в движение исполнительный орган (управляемый сервоприводом элемент).
Требуемое значение угла поворота, после которого производится удержание позиции, устанавливается при программировании контроллера. Наиболее распространенные сервомоторы обеспечивают диапазон изменения угла 180о [3]. Возможно преобразовать вращательное движение сервомотора в поступательное движение управляемого элемента.
Для обеспечения контроля положения сервопривода используется датчик обратной связи - энкодер, который преобразовывает угол поворота в электрический сигнал с помощью потенциометра. Кроме электромотора, редуктора и потенциометра, в сервоприводе устанавливается контроллер, который отвечает за приём внешних управляющих сигналов, считывание значений потенциометра, обработку информации, включение и выключение сервомотора. Таким образом, контроллер отвечает за поддержание отрицательной обратной связи [4].
С помощью механизма отрицательной обратной связи привод может выявить ошибку при позиционировании и скорректировать ее, либо отправить сигнал в управляющую систему более высокого уровня. Таким образом, сервопривод сможет вернуться в заданное положение после несанкционированного изменения угла поворота, вызванное внешним воздействием со стороны управляемого элемента.
В рамках исследования создается трехзвенный манипулятор с захватом. В его конструкции используются сервоприводы с питанием постоянным током напряжением 5 В.
Такие сервоприводы имеют три провода: питание, земля и провод для подачи управляющего сигнала. Заземляющий провод используется как для провода питания, так и для управляющего провода. Питающий провод подает минимальное питание (логический ноль), в этом случае сервопривод остается неподвижным. Когда на него подается номинальное напряжение (логическая единица), тогда сервопривод приходит в движение [5, 6].
Угол поворота сервопривода зависит от времени подачи сигнала. Сигнал минимальной длительности заставляет привод принять крайнее левое положение, средней - центральное положение, максимальной - крайнее правое положение (рис. 2). При этом длина сигналов для каждого типа приводов может различаться [3, 5, 6].
Рис. 2. Зависимость позиционирования сервопривода от длительности сигнала.
Таким образом, сервоприводы - это универсальные механизмы для выполнения задач позиционирования элементов механических конструкций. Их многообразие помогает использовать их для различных проектных целей.
При разработке конкретной конструкции для каждого ее движения необходимо подобрать сервопривод. Для манипулятора количество сервоприводов совпадает с количеством его степеней свободы [1, 7]. Для выбора сервопривода необходимо знать такие характеристики, как форм-фактор, кинематические параметры, графики зависимости нагрузки или мощности от скорости вращения, предел изменения позиции, условия окружающей среды.
С использованием этих данных необходимо выбрать требуемую мощность сервопривода Ро из условия
Ро < кРр,
где к - коэффициент запаса по мощности сервопривода, Рр - мощность, потребляемая на исполнительном органе.
к = 1,1. ..1,3 / у, где у - коэффициент полезного действия сервопривода.
Мощность, потребляемая на исполнительном органе, определяется с использованием математических моделей и методик расчета, представленных в работах [8-10].
Результаты разработки манипулятора с сервоприводами, подобранными с использованием предложенной методики, будут представлены в дальнейших работах.
Список литературы
1. Лагерев И.А. Сравнительный анализ гидравлических кранов-манипуляторов транс-портно-технологических машин и гидравлических манипуляторов промышленных роботов // Научно-технический вестник Брянского гос. ун-та. - 2016. - № 3. - С. 16-49.
2. Самсонов А.В. Моделирование динамики мехатронного модуля гибкого тягового органа канатной дороги // Научно-технический вестник Брянского гос. ун-та. - 2016. - №2. -С. 80-85.
3. Arduino Быстрый старт. Первые шаги по освоению Arduino. - М.: Макскит, 2015. - 80 c.
4. Сервоприводы [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://wiki.amperka.ru/ робототехника: сервоприводы. Дата обращения: 23.10.2017.
5. Иго Т. Arduino, датчики и сети для связи устройств. 2-е изд. - СПб: БХВ-Петербург, 2015. - 544 c.
6. O'Sullivan D., Igoe T. Physical Computing: Sensing and controlling the physical world with computers. Thomson, 2004. - 496 p.
7. Лагерев И.А. Моделирование напряженно-деформированного состояния крана-манипулятора машины для сварки трубопроводов // Изв. высших уч. заведений. Машиностроение. - 2011. - № 4. - С. 29-36.
8. Лагерев И.А. Динамическая нагруженность крана-манипулятора самоходной машины для сварки трубопроводов при движении с грузом // Подъемно-транспортное дело. -2011. - № 3. - С. 7-10.
9. Лагерев И.А. Моделирование рабочих процессов манипуляционных систем мобильных многоцелевых транспортно-технологических машин и комплексов: монография - Брянск: РИО БГУ, 2016. - 371 с.
10. Лагерев А.В., Мильто А.А., Лагерев И.А. Универсальная методика определения напряжений в стержневых элементах конструкций гидравлических кранов-манипуляторов в задачах динамики // Вестник Брянского гос. ун-та. - 2013. - № 4. - С. 21-26.
Сведения об авторах
Карпутина Анастасия Юрьевна - магистрант кафедры информатики и прикладной математики, ФГБОУ ВО «Брянский государственный университет имени академика И.Г. Петровского», e-mail: madam.tenshi@yandex.ru
SELECTION OF SERVOMOTOR FOR MANIPULATOR OF MECHATRON
TECHNOLOGICAL COMPLEX
A.Y. Karputina
Bryansk State University named after Academician I. G. Petrovsky
Construction, parameters and working processes of servo-motors are under consideration in this article. The algorithm for selection of a technological manipulator servo-motor was worked out. Keywords: servo, servomotor, manipulator, technological complex.
References
1. Lagerev I.A. Sravnitel'nyi analiz gidravlicheskikh kranov-manipulyatorov transportno-tekhnologicheskikh mashin i gidravlicheskikh manipulyatorov promyshlennykh ro-botov // Nauch-no-tekhnicheskii vestnik Bryanskogo gos. un-ta. - 2016. - № 3. - S. 16-49.
2. Samsonov A.V. Modelirovanie dinamiki mekhatronnogo modulya gibkogo tyagovogo organa kanatnoi dorogi // Nauchno-tekhnicheskii vestnik Bryanskogo gos. un-ta. - 2016. - №2. -S. 80-85.
3. Arduino Bystryi start. Pervye shagi po osvoeniyu Arduino. - M.: Makskit, 2015. - 80 c.
4. Servoprivody [Elektronnyi resurs]. Rezhim dostupa: http://wiki.amperka.ru/ roboto-tekhnika: servoprivody. Data obrashcheniya: 23.10.2017.
5. Igo T. Arduino, datchiki i seti dlya svyazi ustroistv. 2-e izd. - SPb: BKhV-Peterburg, 2015. - 544 c.
6. O'Sullivan D., Igoe T. Physical Computing: Sensing and controlling the physical world with computers. Thomson, 2004. - 496 p.
7. Lagerev I.A. Modelirovanie napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya krana-manipulyatora mashiny dlya svarki truboprovodov // Izv. vysshikh uch. zavedenii. Mashino-stroenie. - 2011. - № 4. - S. 29-36.
8. Lagerev I.A. Dinamicheskaya nagruzhennost' krana-manipulyatora samokhodnoi mashiny dlya svarki truboprovodov pri dvizhenii s gruzom // Pod"emno-transportnoe delo. - 2011. -№ 3. - S. 7-10.
9. Lagerev I.A. Modelirovanie rabochikh protsessov manipulyatsionnykh sistem mo-bil'nykh mnogotselevykh transportno-tekhnologicheskikh mashin i kompleksov: monografiya -Bryansk: RIO BGU, 2016. - 371 s.
10. Lagerev A.V., Mil'to A.A., Lagerev I.A. Universal'naya metodika opredeleniya naprya-zhenii v sterzhnevykh elementakh konstruktsii gidravlicheskikh kranov-manipulyatorov v zadachakh dinamiki // Vestnik Bryanskogo gos. un-ta. - 2013. - № 4. - S. 21-26.
About author
Karputina A. Y. - graduate student, Department of Applied mathematics and Computer science, Bryansk State University named after Academician I.G. Petrovsky, e-mail: madam.tenshi@yandex.ru
