Механизмы тормозов, фиксаторов и стопоров

Для фиксации привода после отключения двигателя в состав механизмов вводят тормоза, фиксаторы и стопоры. Фиксаторы и стопоры также часто служат для уменьшения погрешности позиционирования исполнительного звена привода. В технологических машинах, в отличие от транспортных, непосредственно для торможения и остановки механизма тормоза используются достаточно редко.

Тормоза в приводе обычно устанавливают на звеньях, для торможения которых требуется минимальное тормозное усилие. В приводах с редуктором таким звеном является входное звено редуктора, в приводах с мультипликатором таким звеном является выходное звено мультипликатора.

В современных приводах вращения наибольшее распространение получили дисковые тормоза, которые в отличие от барабанных, обладают рядом преимуществ, главными из которых являются удобство компоновки, компактность и высокая эффективность, при этом тормоза часто встраивают внутрь двигателя (рис. 6.26). Основными элементами таких тормозов являются катушка 3, выполненная в виде кольца, подвижный якорь 4, которые вместе образуют электромагнит и тормозная колодка 6.

Рис. 6.26. Тормоз, размещенный внутри электродвигателя:

1- задний фланец электродвигателя, 2- вал двигателя, 3 - катушка, 4 - якорь электромагнита, 5- шпонка, 6 - тормозная колодка, 7- крыльчатка

В исходном состоянии при выключенном двигателе на катушку ток не подается. Тормоз находится в заторможенном состоянии, вал двигателя 2, через шпонку 5, фрикционную пару 6-4 замкнут на фланец 1. Замыкание обеспечивает пружина 8. При подаче напряжения на катушку 3, якорь смещается влево, сжимает пружину, выбирая зазор ∆, и зазор уже образуется между якорем соединенным с фланцем и тормозной колодкой, установленной на шпонке. Вал двигателя может свободно вращаться. Справа за тормозом установлена крыльчатка 7 воздушного охлаждения тормоза и двигателя. Кожух на рис. 6.26. условно не показан.

Чтобы получить большой тормозной момент поступают следующим образом:

- используют специальные фрикционные материалы с высоким коэффициентом трения в паре;

- увеличивают усилие прижима колодок, например, за счет замены электромагнитного привода на пневматический или гидравлический;

- увеличивают диаметр фрикционной пары;

- устанавливают несколько фрикционных пар в одном тормозе, увеличивая таким образом площадь трущихся поверхностей.

Для торможения приводов также используют фрикционные электромагнитные муфты. Многодисковые электромагнитные муфты - тормозные и обычные получили широкое распространение в технологических машинах. Такие муфты имеют набор фрикционных пар 1, на рис. 6.27 их шесть.

 

 

Рис.6.27. Многодисковая фрикционная муфта:

1 - набор фрикционных дисков; 2 - фланец; 3 - полый вал

Внешние фрикционные диски фиксируются относительно фланца 2, внутренние - относительно полого вала 3. Если фланец 2 соединить с неподвижным корпусом, то муфта будет тормозной, если с другим валом, то муфта будет соединительной. Катушка с проводниками на рис. 6.27 условно снята. Подшипник муфты 4 "развязывает" вращающийся полый вал 3 относительно неподвижной катушки. Такая многодисковая муфта не имеет замыкающего упругого элемента - пружины и поэтому в исходном состоянии при незапитанной катушке является расторможенной.

В грузоподъемных механизмах получили распространение барабанные тормоза, которые хорошо встраиваются в простые модульные конструкции, например, башенных кранов (рис. 6.28). По своей функции тормоза грузоподъемных механизмов должны, не только фиксировать звенья механизма, что характерно для технологических машин, но и удержать поднимаемый груз при отключении электропитания. Поэтому тормоза грузоподъемных машин, как правило, обеспечивают большие усилия и имеют значительные габариты.

Рис. 6.28. Барабанные тормоза грузоподъемных механизмов

Фиксаторы и стопоры чрезвычайно широко применяются в механизмах и машинах, начиная от простейших дверных замков и заканчивая сложнейшими механизмами причаливания орбитальных космических аппаратов. Как правило, фиксаторы и стопоры используются в цикловых механизмах и они, в отличие от тормозов, фиксируют выходное звено механизма. Следует различать механизмы фиксаторов и стопоров.

Механизм стопорения – устройство, останавливающее и удерживающее звенья механизма в определенном положении при наличии самоторможения в направлении перемещения удерживаемого звена.

Механизм фиксации – устройство для удержания перемещаемого звена в заданном положении при отсутствии самоторможения в направлении перемещения удерживаемого звена.

Включаются стопоры принудительно или автоматически, а выключаются только принудительно (рис. 6.29). Усилие фиксаторов и стопоров обычно создается с помощью пружин (нежестким звеном).

а б в г

 

Рис. 6.29. Типовые схемы стопоров:

а - клиновой стопор, б - стопор беззазорный, в, г - кулачковые стопоры

При превышении заданного значения усилия фиксатор освобождает удерживаемое звено. В отличие от стопора фиксатор включается и выключается автоматически (рис. 6.30).

 

Рис. 6.30.Типовые схемы фиксаторов положения

1 - ползун; 2 - шарик; 3 - ролик; 4 - плоская пружина; 5 - пружина сжатия;
6 - пружина растяжения

Пример схемы механизма со стопором представлен на рис. 6.31.

Рис. 6.31. Пример механизма с устройством стопорения:

1 - карусель; 2 - устройство стопорения; 3 - тормоз; 4 - храповой механизм;
5 - передача рейка-шестерня; 6 - пневмоцилиндр

Стопоры и фиксаторы рассчитывают с целью определения контактных напряжений, влияющих на износостойкость стопора, выбора пружины по потребному усилию стопорения и оценки деформации самого стопора.

При расчете стопоров и фиксаторов считают, что во время стопорения происходит доведение карусели до положения, определяемого стопором, т.е. стопор выполняет роль двигателя. На рис. 6.32 представлена расчетная схема стопорения карусели. Будем считать, что при стопорении происходит перемещение карусели на угол j.

Уравнение равновесия карусели будет иметь следующий вид:

 

М_ф - М_и - М_т - М_с = 0, (6.37)

где М_ф, М_и, М_с, М_т – момент, создаваемый стопором, моменты сил инерции, сил трения и технологических усилий, приведенные к карусели,

или

Рис. 6.31. Расчетная схема стопорения карусели

М_ф - Y_пр×j¢¢ - М_т - М_с = 0,

где Y_пр – момент инерции механизма, приведенный к карусели;

j - текущее значение угла поворота карусели.

Дважды интегрируя уравнение и найдя постоянные интегрирования, получим:

М_ф.t²/2= Y_пр×j + t²/2×(М_c + М_т), (6.38)

 

где t – время стопорения карусели

 

6.32. Погрешность стопорения каресели

 

При расчетах как правило используется не угол j, а линейная погрешность D, которые связаны простейшим соотношением

j = D/R, (6.39)

где D - исходная погрешность положения карусели,

R – радиус установки стопора.

Датчики приводов

Практически в любом приводе, вне зависимости от его типа и назначения, присутствуют датчики. Информация от датчиков в приводах используется для решения двух основных задач: управления приводом и контроля его состояния. Управление подразумевает регулировку или изменение режимов работы двигателя (включение и выключение, изменение скорости или момента), контроль необходим для безопасной и надежной работы (отсутствие перегрева, адекватная реакция на резкое изменение нагрузки и т.п.).

Используемые датчики можно классифицировать по различным признакам: виду входных и выходных сигналов, принципам действия и преобразования сигнала и др.

В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают датчики параметров движения (перемещений, скоростей, ускорений), датчики давления, температуры и пр., а по виду выходной величины - датчики электрические (тока, напряжения, частоты, сопротивления) и неэлектрические. В основном используются электрические датчики, что обеспечивает удобство и точность передачи и преобразования регистрируемых сигналов. Выходной сигнал в электрических датчиках может быть бинарным, аналоговым или цифровым. Бинарные датчики (выключатели) вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, 0 или 1, ON или OFF). Аналоговые датчики, в отличие от выключателей, дают непрерывный во времени сигнал, пропорциональный входной измеряемой величине. Цифровые датчики генерируют последовательность импульсов или двоичное слово с информацией о значении измеряемого сигнала.

По принципу преобразования сигнала датчики можно разделить на генераторные и параметрические. В генераторных датчиках входная величина преобразуется в электрический сигнал (ток, напряжение) непосредственно, а в параметрических датчиках - в изменение какого-либо электрического параметра (сопротивления, емкости, индуктивности).

По физическому принципу работы различают датчики омические, реостатные, фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктивные, емкостные, магнитные и др.

Кроме того, датчики бывают контактными и бесконтактными. В первых чувствительный элемент непосредственно контактирует с контролируемым объектом, вторые работают без механического воздействия со стороны объекта.

Рассмотрим несколько примеров, поясняющих назначение датчиков в приводах.

В большинстве пневмоприводов поршень в пневмоцилиндре (рис. 7.1) перемещается от упора до упора, из одного крайнего положения в другое.

Рис. 7.1. Пневмоцилиндры с датчиками положения

При остановке поршня в крайнем положении устройство управления приводом должно получить сигнал о том, что поршень дошел до упора и остановился. Такой сигнал формируется датчиком положения, например магнитоуправляемым контактом. На гильзах цилиндров, выполненных из немагнитного материала, закрепляются два герметичных магнитоуправляемых контакта (геркона), фиксирующих два крайних положения поршня. Замыкает (или размыкает) эти контакты поле, создаваемое магнитом в виде кольца, закрепленном на поршне.

В пневмоприводах широко применяются датчики, называемые реле давления (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Реле давления

Внутри реле содержит мембрану, которая прогибается под давлением воздуха и воздействует на выключатель. Выключатель имеет механизм, размыкающий электрические контакты при достижении заданного верхнего давления и замыкающий контакты, когда давление падает до заданного нижнего уровня. Верхнее и нижнее давление обычно задается человеком-оператором. Контакты реле коммутируют электрические цепи устройства управления давлением в пневматической системе привода.

В промышленном роботе (ПР, рис. 7.3) движение по различным координатам (θ, α, β, φ, σ) осуществляет электропривод в режиме контурного управления. Контурный ПР используется в производственных процессах, когда необходимо обеспечить движение схвата с инструментом по определенной траектории, например, при нанесении покрытий, дуговой сварке, монтажно-сборочных работах, резке материалов, шлифовании. Траектория схвата определяется совместным движением по всем осям (степеням подвижности) робота. В рассматриваемом примере - вращением колонны (координата θ), плеча - a, предплечья - β, кисти - φ, схвата - σ.

а б

Рис. 7.3. Контурный промышленный робот Bosch:

а – схема робота; б – датчик углового положения

В несколько упрощенном виде принцип управления движением робота выглядит следующим образом. В устройство управления заносится информация о координатах опорных точек и по определенному алгоритму рассчитывается непрерывная траектория между этими точками. Эта траектория декомпозируется (раскладывается) на согласованные во времени перемещения по отдельным осям (координатам). Можно сказать, что каждый привод должен «отработать» во времени t свою заданную траекторию, например, привод поворота колонны должен воспроизвести траекторию θ*(t).

К контурным ПР обычно предъявляются достаточно высокие требования по точности и быстродействию. Для их обеспечения используется следящая система, в состав которой наряду с объектом управления (колонной для степени θ) и приводом включаются также датчик обратной связи и устройство управления (рис. 7.4).

Устройство управления

Привод колонны

Колонна

Датчик обратной связи

θ*(t)

u (t)

M (t)

θ(t)

θ^(t)

 

 

Рис. 7.4. Структурная схема следящего привода

На основе информации о требуемом θ*(t) и реальном g(t) состоянии объекта управляющее устройство вычисляет сигнал управления u (t), а по нему привод формирует управляющее воздействие – момент M (t), поворачивающий колонну.

Это воздействие изменяет состояние (положение) объекта так, чтобы реальное значение соответствовало требуемому. В этой цепочке непременным звеном является датчик. В рассматриваемом примере датчик фиксирует угол поворота колонны манипулятора θ^(t). Этот сигнал непрерывно сравнивается с требуемым законом движения θ*(t). На основе рассогласования между этими сигналами формируется напряжение на двигатель привода, который поворачивает колонну так, чтобы свести рассогласование к минимуму.