Главная > Разное > Конструирование роботов
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

5.3.2. Гидравлические приводы

Гидроцилиндр для поступательного движения. Гидроцилиндры для поступательного движения являются аналогами пневмоцилиндров, но много меньше по размерам и легче по весу при равной мощности. Существуют три основных типа гидроцилиндров.

Гидроцилиндр двустороннего действия (рис. 5.7). Он имеет две камеры, в которых создаются переменные давления и Поскольку в камере 2 расположен выходной шток, активные сечения поршня различаются между собой.

Рис. 5.7. Гидроцнлиндр двустороннего действия.

Следовательно, сила, обусловленная разностью давлений, действующих с обеих сторон поршня, не является симметричной функцией:

Этот недостаток можно устранить путем применения поршня с двусторонним штоком (рис. 5.8), линейные размеры которого должны быть больше для обеспечения равного перемещения. В этом случае

Если обозначить через соответственно давления питания и возврата, действующие в корпусе гидроцилиндра, максимальная сила будет равна где активная поверхность (площадь сечения поршня минус площадь сечения штока).

Дифференциальный гидроцилиндр (рис. 5.9). Сечение штока в нем равно половине общей площади поршня: .

Рис. 5.8. Гндроцнлнндр двустороннего действия с двусторонним штоком.

В камере, пересекаемой штоком, постоянно поддерживается высокое давление в то время как в другой камере — переменное давление В этом случае развиваемое усилие определяется выражением Максимальное значение эквивалентно максимальному усилию, развиваемому гидроцилиндром с двусторонним симметричным действием, но составляет половину соответствующего значения для гидроцилиндра двустороннего действия с односторонним штоком. Для работы

дифференциального гидроцилиндра требуется только трехканальный распределитель, в то время как для гидроцилиндра двустороннего действия — четырехканальный распределитель, реализация которого представляет собой более сложную задачу.

Плунжерный гидроцилиндр (рис. 5.10). Конструкция такого гидроцилиндра проста: одно соединение, канал которого работает в динамическом режиме.

Рис. 5.9. Дифференциальный гидроцилиндр.

Рис. 5.10. Плунжерный гидроцилиндр.

Он имеет одну активную камеру, в которой создается переменное давление , а с другой стороны шток находится под действием низкого давления Усилие развивается только в одном направлении:

Следовательно, обратный ход плунжера (поршня) должен быть обеспечен внешней силой, что ограничивает применение данного устройства.

Рассмотренные гидроцилиндры трех типов могут создавать большие силы и обеспечивать существенные перемещения штока. Гидроцилиндр двустороннего асимметричного действия в большей степени ограничен по величине хода, так как его шток должен иметь малое сечение (чтобы снизить неравенство сил) и, следовательно, имеет меньшее сопротивление продольному изгибу.

Для получения больших перемещений штока рекомендуется применять дифференциальный гидроцилиндр. Он позволяет получить большое отношение рабочего хода к диаметру гидроцилиндра, которое может достигать

Математическое описание. Составим математическую модель лишь гидроцилиндра двустороннего действия с симметричной геометрией. Если обозначить через х абсциссу поршня, отсчитанную от среднего положения, через скорость, а через полный ход, можно записать следующие уравнения: • уравнения расхода

• уравнения потерь давления, которые происходят за счет утечки между камерами (недостаточная герметичность соединений или щели);

• уравнение гидромеханической связи (жидкость — поршень) (к уравнению (5.6) добавляется соотношение, выражающее расход от деформации камер гидроцилиндра)

• уравнение движения груза (связывающее общую массу возможное вязкое трение и противодействующую силу

Исключение промежуточных переменных приводит к системе четырех дифференциальных уравнений первого порядка, связывающих переменные внутреннего состояния с внешними переменными

Гидроцилиндр для углового перемещения. Вращательное движение с ограниченной амплитудой может быть получено по крайней мере с помощью гидроцилиндров двух типов.

Гидроцилиндры с преобразованием поступательного движения. К этой группе можно отнести в первую очередь гидроцилиндры, аналогичные пневмоцилиндрам, которые были описаны выше при рассмотрении пневматических систем (в частности, устройства с преобразованием движения с помощью реечной зубчатой передачи). Другой тип — гидроцилиндр с кривошипом, схематическое изображение которого представлено на рис. 5.11. Более компактная модель этого типа с параллельными поршнями приведена на рис. 5.12. Две последние модели имеют угловой ход, ограниченный примерно 120° (опасность заклинивания). Вращающий момент этих устройств зависит от углового положения. В противоположность им гидроцилиндр с зубчатой рейкой дает несколько оборотов, развивая постоянный вращающий момент (при постоянном давлении).

Поворотные гидроцилиндры (рис. 5.13). Вариант базовой модели с простой формой пластин содержит цилиндрический корпус, несущий неподвижную пластину. Вокруг его оси вращается подвижная пластина вместе с выходным валом (рис. 5.13,а). Ход (менее одного оборота ограничен толщиной пластин.

Рис. 5.11. Гидроцилиндр с кривошипом. (В представленном положении вращательное движение заблокировано.) (Фирма REXROTHrSIGMA.)

Очевидно, устройство с двумя подвижными пластинами имеет уменьшенный ход (менее полоборота но его вращающий момент в два раза больше при одинаковых внешних размерах устройств. Кроме того, в гидроцилиндре с двумя подвижными пластинами силы уравновешены в центре.

Рис. 5.12. Гидроцилиндр с параллельными поршнями. (Фирма REXROTH-SIGMA.)

Хотя силы инерции и трения в таких устройствах намного слабее, чем у гидроцилиндров с преобразованием движения, поворотные гидроцилиндры более сложны в изготовлении, особенно из-за проблем герметизации. Они не нашли широкого распространения в робототехнике, хотя могут быть идеальными приводами для сочленений робота благодаря большой удельной весовой мощности, прямому воздействию на нагрузку

и непосредственной передаче вращательного движения от гидроцилиндра к последовательно расположенным с ним сочленениям.

Математическое описание этих устройств аналогично описанию гидроцилиндров для поступательного движения.

Рис. 5.13. (см. скан) Поворотный пластинчатый гидроцилиндр.

Не останавливаясь на подробностях, отметим, что в данном случае коэффициент гидромеханической связи однороден в объеме С, который интерпретируется как объем тела вращения (цилиндра), приходящегося на 1 рад (т. е. объема жидкости или газа, который смещается при вращении на 1 рад):

Обозначив через общий угловой ход, получим

Отметим, что средний объем масла находящегося под давлением, отличается от объема цилиндра С.

Примечание. Математические выкладки, выполняемые в дальнейшем, будут проводиться только для органов поступательного движения. Однако полученные формулы могут быть непосредственно применены для описания функционирования органов вращательного, движения путем соответствующей замены параметров.

Гидромоторы для вращательного движения. Для получения вращательного движения с неограниченным по углу вращением можно использовать несколько типов гидромоторов. Необходимо отметить, что эти устройства, как и большинство гидроцилиндров, являются обратимыми, т. е. могут функционировать как насосы. Гидромоторы разделяются на аксиально-поршневые (с наклонной шайбой и с наклонным цилиндром) и радиально-поршневые. Отметим, что объем цилиндра С может быть постоянным или переменным.

Аксиально-поршневой гидромотор с наклонной шайбой (рис. 5.14). Для такого типа гидродвигателей число поршней должно быть нечетным (7 или 9). Поршни располагаются в неподвижном корпусе равномерно вокруг оси и движутся в цилиндрах, размещенных в барабане параллельно выходному валу.

Рис. 5.14. Аксиально-поршневой гидромотор с наклонной шайбой. (Фирма REXROTH-SIGMA.)

Вал составляет одно целое с барабаном. Каждый поршень заканчивается шаровой пятой, вложенной в подпятник, который скользит без вращения по наклонной шайбе, прижатой диском. Для создания гидростатического подшипника сверлят головку поршня и пяту таким образом, что между шайбой и пятой образуется гидростатический зазор.

Аксиальная сила, приложенная к поршню, разлагается по отношению к плоскости диска на нормальную и тангенциальную составляющие. Таким образом создается вращающий момент

гидродвигателя данного типа. Изменение объема цилиндра двигателя (объем масла, вытесненного за один оборот) можно достичь за счет выбора соответствующего угла наклона диска по отношению к оси выходного вала.

Аксиально-плунжерный гидромотор с наклонным блоком цилиндров (барабаном) (рис. 5.15).

Рис. 5.15. Гидромотор с наклонным блоком цилиндров. (Фирма REXROTH-SIGMA.)

Расположение барабана и шайбы гидродвигателя данного типа аналогично расположению соответствующих элементов гидромотора с наклонной шайбой. Шаровые пяты вложены в сферические углубления шайбы, которая связана с выходным валом. Барабан опирается на сферическую поверхность распределительной шайбы. Как и в предыдущем случае, объем цилиндра можно изменять путем варьирования угла наклона оси барабана по отношению к оси выходного вала.

Радиально-поршневые гидромоторы (рис. 5.16). Основными элементами двигателя данного типа (рис. 5.16, а) являются следующие:

• ротор, содержащий обычно 7 или 9 цилиндров, оси которых направлены вдоль радиуса (отсюда название мотора) ротора;

• поршни (плунжеры), которые перемещаются в цилиндрах и несут на свободных концах ролики;

• статор, внутренняя поверхность которого представляет собой кулачок, содержащий выступы, и по которой вращаются ролики поршней;

• распределительная шайба, по зеркальной поверхности которой происходит соединение цилиндров с каналами низкого или высокого давления.

В зоне активного хода а ротора (рис. 5.16, а) цилиндр связан с каналом высокого давления и поршень давит на ролик с силой F (рис. 5.16, б), которая вместе с силой реакции кулачка создает тангенциальную составляющую В результате возникает вращающий момент мотора.

Рис. 5.16. (см. скан) Радиально-порщневой гидромотор. (Фирма SAMM.)

После фазы активного хода а поршень переходит в нейтральную зону а затем — в зону с, в которой цилиндры соединены с каналом низкого давления. В результате этого происходит вывод рабочей жидкости. Затем поршень переходит в другую нейтральную зону д. Изменение направления вращения осуществляется путем переключения каналов связи с высоким и низким давлением, а следовательно, и зон входа и выхода рабочей жидкости. Для функционирования подобной системы необходимо, чтобы число поршней и число выступов кулачка были такими, чтобы всегда по крайней мере один поршень мог находиться в активной зоне для обеспечения запуска двигателя.

Гидромоторы других типов. К ним можно отнести гидромоторы с зубчатым зацеплением, которые не нашли широкого распространения в системах автоматического регулирования (рис. 5.17), и гидромоторы пластинчатого типа (рис. 5.18), которые с одинаковым успехом используются в качестве насосов.

Рис. 5.17. Гидромотор с зубчатым зацеплением. (Фирма REXROTH-SIGMA.)

Характеристики гидроприводов. Основными параметрами, которые выдаются конструктором при разработке гидроприводов любых типов, являются предельные рабочие давления и допустимый подъем давления в ограниченное время или в пиковые режимы. Другие характеристики определяются типом гидропривода.

Рис. 5.18. Гидромотор пластинчатого типа.

• Для гидроцилиндров необходимо знать полезный ход, общий объем цилиндра, максимальную мгновенную скорость (обусловленную диафрагмами входа и выхода так же, как и трением), массу и момент инерции подвижных элементов.

• Для гидромоторов, обеспечивающих непрерывное вращение, надо знать объем цилиндра, приходящийся на один радиан поворота (или на один оборот) ротора, максимальную скорость, номинальный вращающий момент и номинальную мощность, момент инерции ротора и зависимости вращающего момента и мощности от скорости (рис. 5.19) при различных давлениях

питания. На их основе определяется «внутреннее сопротивление» гидромотора

Система уравнений, описывающая работу устройства, имеет вид

где зависимость потерь от давления; зависимость момента силы трения от скорости; полезный вращающий момент, развиваемый на валу, V — объем жидкости (или газа) в камере гидродвигателя, находящейся под рабочим давлением. Следует отметить, что этот рабочий объем жидкости (или газа) может быть небольшим (по сравнению с объемом гидроцилиндра той же мощности), если двигателем является высокоскоростной гидромотор, передающий движение через связанный с ним редуктор.

Рис. 5.19. Характеристики гидромотора.

Однако в робототехнике существует тенденция к использованию названных выше гидродвигателей без редуктора. В этом случае они не будут иметь явных преимуществ перед гидродвигателями с редукторами.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление