РОБОТОТЕХНИКА

ШАГОВЫЕ СЕРВОДВИГАТЕЛИ

4.2. Шаговым серводвигателям в настоящее время уделяется все большее внимание, что обусловлено ростом их значения в про­мышленности. Так, студенты, занимающиеся у автора, начинают усиленно интересоваться применением шаговых двигателей для цифрового управления станками и производственными процес­сами.

Существуют два основных вида шаговых серводвигателей. В шаговом двигателе с постоянными магнитами на роторе исполь­зуется взаимодействие магнитного поля, создаваемого обмотками статора, с полем возбуждения ротора. В шаговом двигателе с переменным вдоль воздушного зазора магнитным сопротивле­нием и невозбужденным ротором используется соленоидный прин­цип взаимодействия между создаваемым обмотками статора маг­нитным полем и невозбужденным ротором из магнитомягкого железа. В обоих конструктивных вариантах по окружности ста­тора располагается несколько соленоидных катушек, последо­вательное возбужедние которых заставляет ротор осуществлять вращательное движение, состоящее из ряда последовательных шагов.

К преимуществам таких устройств по сравнению с другими источниками движущей силы относятся независимость величины шага от колебаний амплитуды питающих напряжений или им­пульсов, нечувствительность к тряске и вибрациям и значитель­ный срок службы, достигающий Ю9 циклов. Кроме того, у дви­гателей такого типа хорошее быстродействие: время срабаты­вания составляет 1 м/с. Величина перемещения за один шаг может сохранять, и весьма точно, постоянное значение благодаря использованию магнитных фиксирующих устройств.

Для приведения шагового двигателя во вращение существуют различные последовательности возбуждения его обмоток. Один из способов сравнительной оценки возможных последовательно­стей возбуждения состоит в использовании в качестве числового критерия отношения числа ампер-витков возбужденных обмоток к величине потребляемой энергии, неизбежно рассеиваемой в обмотках. Уменьшение энергии, необходимой для данного способа возбуждения, имеет огромное значение для подвижных устройств, в частности роботов, где требуется уменьшение массы батарейных источников питания. Большое значение имеет также и то, что шаговые двигатели лучше охлаждаются, а понижение рабочей температуры способствует увеличению срока службы устройства. Однако некоторые возможные последовательности включения обмоток управления требуют сложной коммутирую­щей аппаратуры, а это нежелательно с точки зрения стоимости, сложности и надежности.

При выборе типа шагового серводвигателя для какого-либо конкретного применения можно исходить из следующих сообра­жений. Двигатель активного типа обеспечивает магнитную фик­сацию, большую дискретность шаговых углов, и его целесооб­разно применять в тех случаях, когда требуется определенность положения, а частота управляющих импульсов меньше 300 нмп/с. С другой стороны, двигатель с переменным магнитным сопротив - 74 лением целесообразно использовать в тех случаях, когда не тре­буется магнитная фиксация, нужна малая цена шага без ис­пользования зубчатой передачи, а частота управляющих импуль­сов достигает 1200 имп/с. Этот двигатель может быть использован также в тех случаях, когда небольшая неопределенность поло­жения не очень важна, и в особенности тогда, когда из-за нали­чия железных опилок или частиц применение постоянных маг­нитов недопустимо.

4.3. ОХЛАЖДЕНИЕ [21—24, 30, 31, 46]

Несомненные преимущества дает уменьшение габаритных раз­меров робота общего назначения. В связи с этим представляется весьма существенным использование современных методов мини­атюризации. При миниатюризации электрического оборудования возникают две основные трудности. Одна из них связана с до­стижением хорошей изоляции, и здесь наиболее важный вопрос — однородность применяемого изоляционного материала.

Другая, еще более существенная трудность, возникающая в на­стоящее время, состоит в отводе тепла, выделяемого любым элект­рическим оборудованием, и поддержании относительно низкой температуры при работе в любых условиях. Важно снижать потери энергии, идущей на нагрев, поскольку она потребляется от основного источника, который подвижный робот должен пере­носить на себе. Помимо этого, если происходит чрезмерный нагрев каких-то частей робота, свойства материалов, из которых они сделаны, могут резко изменяться, в результате чего в системе появляется источник ненадежности.

Для того чтобы избежать чрезмерного нагрева, прежде всего необходимо свести к минимуму тепловую мощность, рассеивае­мую в единице объема, а это предполагает использование при­боров и оборудования, обладающих наибольшим возможным электрическим к. п. д. Несмотря на то что по мере совершенство­вания оборудования происходит непрерывное увеличение эф­фективного к. п. д., в каждый момент существует определенный предел, который может быть достигнут. Таким образом, в любой данный момент времени существует заданный определенный минимум для количества теплоты, которая должна выделяться за счет электрических потерь в оборудовании, и в то же время существует заданный определенный максимум для допустимых внутренних температур. Для того чтобы робот был надежен в ра­боте, эти два противоречивых фактора должны быть согласованы.

Одним из путей разрешения этого противоречия является увеличение поверхности охлаждения, обтекаемой воздухом или жидкостью. В открытом космосе вместо этого необходимо обеспечить достаточную излучающую поверхность. Между уст­ройством, являющимся источником электрических потерь, вызы­вающих нагрев, и основной охлаждающей поверхностью (или поглотителем тепла) должен быть создан путь, обладающий минимально возможным сопротивлением тепловому потоку. Важно отметить, что повышение надежности не сводится только к ог­раничению средней температуры устройства, ибо отказ может произойти в любой появившейся «горячей точке». Другого рода проблемы могут возникнуть в связи с принятыми средствами охлаждения, и их следует внимательно рассмотреть на стадии проектирования. К ним относятся, например, уменьшение на­пряжения электрического пробоя или увеличение уровня пара­зитных емкостей.

Там, где это возможно, желательно осуществлять охлаждение за счет обтекания воздуха, и сейчас для этой цели имеется боль­шой выбор теплопоглотителей, штампованных методом выдавли­вания из сплавов. Для электрической изоляции устройства от поглотителей обычно используются изолирующие винты и тонкие шайбы из слюды, которые позволяют минимизировать падение температуры на изолирующем материале. У хорошо спроекти­рованных жидкостных систем охлаждения имеются определенные преимущества, но их применение может быть нежелательно в под­вижных системах. Это относится также к системам охлаждения «испарительного» типа, в которых используется скрытая теплота испарения жидкости.

Логическим развитием метода охлаждения за счет испарения было бы введение какого-то подобия охлаждения за счет пото­выделения. Однако подобный метод, по всей видимости, будет со многих точек зрения нежелательным для робота общего на­значения. Прежде всего он не подходит для использования в не­которых средах, например пыльных или с очень высокой влажно­стью. А перспектива иметь домашнего робота, который страдает потливостью, в высшей степени неприятна!

В пневматической системе рабочий газ в жидком состоянии под высоким давлением должен храниться и переноситься в бал­лонах. Большое внимание при этом следует уделять тому, чтобы температура баллона не поднималась слишком высоко, поскольку это будет вызывать опасное увеличение давления. Дополнитель­ная трудность состоит здесь в том, что любая утечка газа из си­стемы будет вызывать локальное падение температуры, которое может привести к замерзанию хранимой жидкости (обычно при —55° С). Тогда прикосновение человека к баллону может вы­звать сильный ожог. Ожог может вызвать и просачивающаяся струйка газа. Следует предусмотреть какое-то устройство для сброса давления, чтобы предотвратить взрыв в случае повышения давления, о котором шла речь выше.

В некоторых случаях, например когда робот предназначается для работы на холодной стороне Луны, будет необходимо обеспе­чить средства нагревания, а не охлаждения. Поэтому желате­льно, чтобы в таких случаях экстремальных колебаний темпера­туры робот был оснащен двухцелевой системой температурной 76 стабилизации, которая может или нагревать или охлаждать в зависимости от условий. Двигатели и вентиляторы, использу­емые в лунном оборудовании, охлаждаются при помощи тепло­рассеивающего покрытия, состоящего из микросфер окисла бе­риллия, вкрапленных в силиконовый каучук [33].