RU118806U1 - Электромеханический модуль - Google Patents

Abstract

Электромеханический модуль, состоящий из неподвижного и подвижного корпусов, содержащий встроенный волновой редуктор и низкооборотный бесконтактный моментный двигатель постоянного тока, статор двигателя, расположенный в корпусе полого стакана неподвижной части редуктора, ротор двигателя, установленный на полом входном валу редуктора, расположенном коаксиально выходному валу, фланец на торце выходного вала, входной вал редуктора через кулачково-дисковую муфту соединен с кулачком, который через гибкие подшипники соединен с гибким зубчатым колесом, входящим в зацепление с двумя жесткими зубчатыми колесами, одно из которых соединено с неподвижным корпусом модуля, модуль содержит входной и выходной фланцы квадратной формы с разъемами, выходной имеет четыре шпильки по углам, на оси которых установлены четыре центрирующие втулки, а входной имеет четыре отверстия и, соосно, четыре центрирующие зенковки, также расположенные по углам, позволяющие стыковку с фланцем, аналогичным выходному, внутри выходного полого вала редуктора проложены провода питания и управления модулем, на конце выходного полого вала установлен кабелеукладчик из фторопластовой ленты, спирально уложенной вокруг выходного полого вала, между слоями лент уложены провода, один конец ленты кабелеукладчика закреплен на его неподвижном стакане, а другой - на выходном полом валу редуктора, контроллер, закрытый крышкой, закреплен на неподвижном корпусе модуля и через разъем связан с электродвигателем и датчиками скорости, положения, ограничения угла поворота подвижного корпуса модуля, который установлен на неподвижном корпусе модуля, на вход

Description

Полезная модель относится к классу мехатронных изделий, со встроенными электронной схемой (контроллером) управления, электродвигателем, редуктором, датчиками и может быть использована в системах управления приводом по моменту в робототехнике, станкостроении и т.д.

Известен мехатронный модуль линейного перемещения, содержащий электродвигатель, контроллер, управляющий движением двигателя, передачу, включающую ходовую и опорные гайки и резьбовой ролик, [патент РФ №2351817]. Резьбовой ролик жестко соединен с ферромагнитными катящимися роторами. Обмотки статора и постоянные магниты, обеспечивающие создание вращающегося ассиметричного магнитного поля, жестко соединены с опорными гайками. Опорные участки ролика имеют резьбовые сопряжения с опорными гайками, у которых углы подъема резьбы одинаковы по величине и противоположны по знаку. Ходовая гайка имеет резьбовое, сопряжение с ходовым участком ролика при разных углах подъема резьбы на ходовой гайке и ходовом участке ролика.

Недостатками модуля линейного перемещения являются отсутствие датчика крутящего момента, не позволяющее его использование в системах управления приводом по моменту, невозможность выполнения технологических операций, связанных с регулировкой выходного момента, невозможность ограничения опасных моментов при контроле столкновений рабочего органа с препятствиями, невозможность контроля заданной величины и точности линейного перемещения, невозможность стабилизации заданной скорости вращения двигателя при переменной нагрузке, невысокий КПД.

За прототип выбран электромеханический модуль, патент на полезную модель №94776 от 27 мая 2010 г., состоящий из неподвижного и подвижного корпусов, содержащий встроенный волновой редуктор и низкооборотный бесконтактный моментный двигатель постоянного тока, статор двигателя, расположенный в корпусе полого стакана неподвижной части редуктора, ротор двигателя, установленный на полом входном валу редуктора, расположенном коаксиально выходному валу, фланец на торце выходного вала, входной вал редуктора через кулачково-дисковую муфту соединен с кулачком, который через гибкие подшипники соединен с гибким зубчатым колесом, входящим в зацепление с двумя жесткими зубчатыми колесами, одно из которых соединено с неподвижным корпусом модуля, а другое, через фланец - с подвижным корпусом модуля. Модуль содержит входной и выходной фланцы квадратной формы с разъемами, выходной имеет четыре шпильки по углам, на оси которых установлены четыре центрирующие втулки, а входной имеет четыре отверстия и, соосно, четыре центрирующие зенковки, также расположенные по углам, позволяющие стыковку с фланцем аналогичным выходному. Внутри выходного полого вала редуктора проложены провода питания и управления модулем, на конце выходного полого вала установлен кабелеукладчик из фторопластовой ленты, спирально уложенной вокруг выходного полого вала, между слоями лент уложены провода, один конец ленты кабелеукладчика закреплен на его неподвижном стакане, а другой - на выходном полом валу редуктора. Контроллер, закрытый крышкой, закреплен на неподвижном корпусе модуля и через разъем связан с электродвигателем и датчиками скорости, положения, ограничения угла поворота подвижного корпуса модуля, который установлен на неподвижном корпусе модуля, на входном валу расположен ротор датчик скорости вращения двигателя, на выходном полом валу расположен ротор датчика положения абсолютного отсчета угла поворота подвижного корпуса модуля.

Выходной фланец с разъемом может быть установлен на торце подвижного корпуса модуля, а входной фланец с разъемом - на торце неподвижного корпуса модуля.

Выходной и входной фланцы с разъемами могут быть установлены соответственно на боковых поверхностях подвижного и неподвижного корпусов модуля

К недостаткам можно отнести отсутствие датчика крутящего момента, не позволяющее использование модуля в системах управления приводом по моменту, невозможность выполнения технологических операций, связанных с регулировкой выходного момента, невозможность ограничения опасных моментов при контроле столкновений рабочего органа с препятствиями.

Задачами являются повышение качества управления движением модуля за счет введения обратной связи по моменту, измеряемому датчиком крутящего момента, разработка конструктивно и функционально законченного электромеханического модуля, позволяющего создавать и переконфигурировать многозвенные робототехнические устройства с системами управления приводом по моменту, повысить безопасность работы робототехнических систем включающих модуль.

Предложен электромеханический модуль, состоящий из неподвижного и подвижного корпусов, содержащий встроенный волновой редуктор и низкооборотный бесконтактный моментный двигатель постоянного тока, статор двигателя, расположенный в корпусе полого стакана неподвижной части редуктора, ротор двигателя установленный на полом входном валу редуктора, расположенном коаксиально выходному валу, фланец на торце выходного вала, входной вал редуктора через кулачково-дисковую муфту соединен с кулачком, который через гибкие подшипники соединен с гибким зубчатым колесом, входящим в зацепление с двумя жесткими зубчатыми колесами, одно из которых соединено с неподвижным корпусом модуля, а другое, через фланец - с внутренним кольцом датчика крутящего момента, внешнее кольцо которого жестко соединено с подвижным корпусом модуля. На внешнем кольце датчика закреплена плата обработки тензометров электрически связанная с центральным контроллером модуля. Модуль содержит входной и выходной фланцы квадратной формы с разъемами, выходной фланец имеет четыре шпильки по углам, на оси которых установлены четыре центрирующие втулки, а входной имеет четыре отверстия и, соосно, четыре центрирующие зенковки, также расположенные по углам, позволяющие осуществлять стыковку с фланцем аналогичным выходному. Внутри выходного полого вала редуктора проложены провода питания и управления модулем, на конце выходного полого вала установлен кабелеукладчик из фторопластовой ленты, спирально уложенной вокруг выходного полого вала, между слоями лент уложены провода, один конец ленты кабелеукладчика закреплен на его неподвижном стакане, а другой - на выходном полом валу редуктора. Контроллер, закрытый крышкой, закреплен на неподвижном корпусе модуля и через разъем связан с электродвигателем и датчиками углового положения и скорости ротора двигателя, датчиком крутящего момента на выходном валу редуктора, датчиком ограничения угла поворота подвижного корпуса модуля, который установлен на неподвижном корпусе модуля с возможностью вращения. На валу двигателя жестко закреплены ротор датчика положения и скорости ротора двигателя, на выходном полом валу жестко закреплен ротор датчика положения абсолютного отсчета угла поворота подвижного корпуса модуля.

Выходной фланец с разъемом может быть установлен на торце подвижного корпуса модуля, а входной фланец с разъемом - на торце неподвижного корпуса модуля.

Выходной и входной фланцы с разъемами могут быть установлены соответственно на боковых поверхностях подвижного и неподвижного корпусов модуля.

На фиг.1 изображен электромеханический модуль в поперечном разрезе, состоящий из неподвижного 1 и подвижного 2 корпусов, содержащий встроенные волновой редуктор 3 и низкооборотный бесконтактный моментный двигатель постоянного тока 4, статор электродвигателя 5, расположенный в корпусе полого стакана неподвижной части редуктора, ротор электродвигателя 6 находится на входном валу 7 редуктора, на одном конце вала находится ротор датчика углового положения и скорости 8 вращения двигателя, статор датчика скорости 9 соединен с неподвижной частью модуля, а другой конец входного вала, через кулачково-дисковую муфту 10, соединен с кулачком 11 редуктора, на котором находятся два гибких подшипника 12. Подшипники соединены с гибким зубчатым колесом 13, входящим в зацепление с двумя зубчатыми колесами, одно из которых 14 соединено с неподвижным корпусом модуля, а другое 15, через фланец 16 - с внутренним кольцом 17 датчика крутящего момента 18, внешнее кольцо 19 которого жестко соединено с подвижным корпусом модуля. На внешнем кольце датчика закреплена плата обработки тензометров 20 электрически связанная с центральным контроллером модуля. Фланец одновременно соединен с выходным полым валом 21, коаксиально расположенным с входным валом редуктора. На выходном полом валу, закрепленном в подшипнике 22, расположен ротор датчика положения 23 абсолютного отсчета угла поворота подвижного корпуса модуля, статор датчика положения 24 вмонтирован в неподвижный корпус модуля. На конце выходного полого вала установлен кабелеукладчик из фторопластовой ленты 25, спирально уложенной вокруг выходного полого вала, между лентами кабелеукладчика уложены провода 26, прикрепленные к ленте, электрического кабеля, проходящего внутри выходного полого вала от разъема 27 входного и к разъему 28 выходного фланцев. Один конец ленты закреплен на неподвижном стакане 29 кабелеукладчика, другой - на выходном полом валу. На неподвижном корпусе модуля расположен бесконтактный датчик ограничения угла поворота подвижного корпуса модуля 30. Выходной фланец 31 с разъемом, установленный на торце подвижного корпуса модуля, имеет квадратную форму с четырьмя шпильками 32 по углам, на оси которых установлены четыре центрирующие втулки, входной фланец 33 с разъемом, установленный на торце неподвижного корпуса модуля, также имеет квадратную форму с четырьмя отверстиями и, соосно, четырьмя центрирующими зенковками, также расположенными по углам, позволяющими стыковку с фланцем аналогичным выходному. На неподвижном корпусе модуля под крышкой 34 расположен микропроцессорный контроллер управления 35 электродвигателем. Контроллер управления электрически, через разъем 36, связан с разъемами выходного и входного фланцев, двигателем, датчиками положения и скорости, крутящего момента, датчиком ограничения поворота подвижного корпуса модуля. На фиг.2 изображен аналогичный электромеханический модуль, но с выходным фланцем 31 и входным фланцем 32, установленными на боковых поверхностях подвижного и неподвижного корпусов модуля.

От компьютера (верхний уровень управления) команды управления, содержащие, например, задания по величине угла поворота, скорости подвижной части модуля, величине крутящего момента через разъем входного фланца, разъем контроллера привода поступают по интегрированному CAN интерфейсу в микропроцессорный контроллер управления. Контроллер, формируя широтно-импульсно модулированный сигнал (ШИМ), осуществляет управление скоростью электродвигателя, принимая и обрабатывая сигнал обратных связей по положению, скорости, току и моменту. Сигнал управления от контроллера поступает в статор двигателя, приводя во вращение ротор и входной вал редуктора. Вращение через кулачково-дисковую муфту передается на кулачек, а через гибкие подшипники - на гибкое зубчатое колесо. Гибкое колесо входит в зацепление с жестким колесом, закрепленным в неподвижном корпусе модуля, обкатывая его, и с жестким колесом, соединенным с фланцем, передающим вращение датчику крутящего момента, следовательно через датчик, подвижному корпусу модуля. Момент нагрузки, приложенный к подвижному корпусу модуля, воздействуя на чувствительные части датчика, измеряется тензометрами, преобразуется в цифровую форму электроникой платы, установленной на датчике, и по последовательному каналу передается в контроллер управления приводом модуля. Фланец вращает полый выходной вал, другим концом заделанный в подшипнике. К этому концу вала прикреплена фторопластовая лента кабелеукладчика, другим концом закрепленная на неподвижном стакане кабелеукладчика. Вращение вала передается ленте, закручивая или раскручивая провода кабеля вокруг вала, не давая им рваться. Выходной полый вал вращает ротор датчика положения абсолютного отсчета угла поворота подвижной части модуля, статор датчика положения вмонтирован в неподвижный корпус модуля. Датчик измеряет абсолютное значение угла поворота подвижного корпуса модуля от начала поворота в любой момент включения питания модуля.

Задача улучшения качества управления движением модуля достигается установкой датчика измерения крутящего момента. Введение обратной связи по моменту позволяет использовать модуль для создания робототехнических устройств с системами управления приводом по моменту, усилию, необходимых при выполнении технологических, например сборочных, операций.

Модуль позволяет создавать и переконфигурировать многозвенные робототехнические устройства, благодаря возможности присоединения модулей через унифицированные фланцы с разъемами к торцевой или боковой поверхностям модуля, что, также, упрощает и ускоряет монтаж устройств из модулей.

Повышение надежности работы модуля обеспечивается датчиком момента, контролирующим максимально допустимый момент, тем самым предотвращая поломку модуля вследствие перегрузки.

Применение микропроцессорного контроллера дает возможность адаптировать модуль к задачам управления робототехническим устройством на программном уровне, изменяя алгоритм и закон управления двигателем в зависимости от параметров робототехнического устройства. Наличие высокоскоростного интегрированного в контроллер CAN интерфейса, реализует распределенную систему управления от центрального компьютера изделием, состоящим из множества электромеханических модулей.

Claims (1)

1. Электромеханический модуль, состоящий из неподвижного и подвижного корпусов, содержащий встроенный волновой редуктор и низкооборотный бесконтактный моментный двигатель постоянного тока, статор двигателя, расположенный в корпусе полого стакана неподвижной части редуктора, ротор двигателя, установленный на полом входном валу редуктора, расположенном коаксиально выходному валу, фланец на торце выходного вала, входной вал редуктора через кулачково-дисковую муфту соединен с кулачком, который через гибкие подшипники соединен с гибким зубчатым колесом, входящим в зацепление с двумя жесткими зубчатыми колесами, одно из которых соединено с неподвижным корпусом модуля, модуль содержит входной и выходной фланцы квадратной формы с разъемами, выходной имеет четыре шпильки по углам, на оси которых установлены четыре центрирующие втулки, а входной имеет четыре отверстия и, соосно, четыре центрирующие зенковки, также расположенные по углам, позволяющие стыковку с фланцем, аналогичным выходному, внутри выходного полого вала редуктора проложены провода питания и управления модулем, на конце выходного полого вала установлен кабелеукладчик из фторопластовой ленты, спирально уложенной вокруг выходного полого вала, между слоями лент уложены провода, один конец ленты кабелеукладчика закреплен на его неподвижном стакане, а другой - на выходном полом валу редуктора, контроллер, закрытый крышкой, закреплен на неподвижном корпусе модуля и через разъем связан с электродвигателем и датчиками скорости, положения, ограничения угла поворота подвижного корпуса модуля, который установлен на неподвижном корпусе модуля, на входном валу расположен ротор датчик скорости вращения двигателя, на выходном полом валу расположен ротор датчика положения абсолютного отсчета угла поворота подвижного корпуса модуля, выходной фланец с разъемом может быть установлен на торце подвижного корпуса модуля, а входной фланец с разъемом - на торце неподвижного корпуса модуля, выходной и входной фланцы с разъемами могут быть установлены соответственно на боковых поверхностях подвижного и неподвижного корпусов модуля, отличающийся тем, что второе жесткое зубчатое колесо редуктора через фланец соединено с внутренним кольцом датчика крутящего момента, внешнее кольцо которого жестко соединено с подвижным корпусом модуля, на внешнем кольце датчика закреплена плата обработки тензометров датчика, электрически связанная с центральным контроллером модуля.