Хомра М.В
РОЗВИТОК КОНСТРУКЦІЙ
КРОКОВИХ ПНЕВМАТИЧНИХ ДВИГУНІВ ПО ОГЛЯДУ
ПАТЕНТІВ США ТА НІМЕЧЧИНИ
Однією із проблем керування роботою робочого органу промислового робота(ПР)
є проблема створення дискретного руху (крокового переміщення). Розглянемо
можливість використання крокових двигунів для створення дискретного руху в
промислових роботах.
Проведемо огляд патентів пневматичних крокових
двигунів, виданих у США:
В патенті US005549013A автора Masahiko Kimbara на основі пневматичного циліндра реалізований принцип крокового обертового
переміщення штока при прямолінійному русі двох поршнів, тобто одержаний принцип
“гвинта”(рис. 1).
Рис. 1 – Кроковий двигун (Masahiko Kimbara)
Обертання утворюється за рахунок розташованих по
спіралі пазів на роторі, що жорстко закріплений на штоці пневмоциліндра, в які входять кульки, що
розміщенні в пазах на внутрішній поверхні двох поршнів. Стисле повітря
подається через соленоїдальний клапан, що розташований на циліндрі і через
систему каналів і переміщує поршні всередину. Після цього стисле повітря
одночасно підводиться між двома поршнями соленоїдальним клапаном через канал, щоб
перемістити поршні в початкові положення. При прямолінійному русі поршнів
всередині обертається ротор і відповідно обертається шток.
Перевагою даного крокового двигуна є фіксована
кількість “кроків”. Суттєвим плюсом є простота, компактність та дешевизна конструкції,
можливість швидкого монтажу до будь-яких промислових машин де потрібне крокове
переміщення.
Суттєвим недоліком є малий робочий хід, почергове
обертання в різні сторони та неможливість зупинки в проміжних точках. [1].
В патенті US003600115 (A) автором якого є John M. Rhoades, пневматичний кроковий двигун, що працює в різних
напрямках обертання і приводить до необмеженого руху в усіх напрямках.
Зовнішній вигляд представлений на рис. 2.
Рис. 2 – Пневматичний кроковий двигун (John M. Rhoades)
Двигун містить статор, в якому з можливістю обертання
встановлений ротор. На внутрішній поверхні статора рівномірно розташовані поздовжні
пази, паралельні осі обертання ротора, аналогічно останнім виконані пази на
роторі(рис. 3). Отвори на статорі зв’язані між собою і слугують для подачі
стислого повітря в камеру ротора. В пазах, що розміщенні поздовж статора і
дорівнюють кількості вхідних отворів, знаходяться лопасті, що вільно рухаються
в пазах і в свою чергу входять в пази на роторі через дію пружин. При подачі стислого повітря по черзі в один з
чотирьох отворів ротор рухається від стінки до стінки статора і прижимається
лопатями (рис. 4). За рахунок напрямної вісі, що з одного боку ексцентирчно
прикріплена до вихідного вала, а з
іншого по осі ротор, створюється обертання вихідного вала.
Рис. 3 – Деталі крокового двигуна
Рис. 4 – Принцип роботи
пневматичного крокового двигуна
Недоліком такого крокового двигуна є те, що
ступінь обертання, тобто фазовий кут повороту залежить від кількості вхідних
отворів для стиснутого повітря. В даному прикладі їх чотири, це означає “кроковий кут” буде рівним 90˚. Невеликий
діаметр вісі, що з’єднує ротор із вихідним валом порівняно із діаметрами
останніх не дає можливість передавати значні крутні моменти, отже використовувати
даний привід для важких об’єктів[2].
Також, як один з варіантів обертового крокового
переміщення представлений в патенті
US004426911 (A) авторами якого є Curtiss W. Robinson, Eugene T. Raymond пов’язаний із почергово розташованими
отворами для подачі повітря, яким у корпусі буде обертатися вал, що має різні
діаметри і при подачі стиснутого повітря із першого каналу вал почне
обертатися, після деякого кута повороту, він перекриє частину отворів, а з
іншої буде подаватись повітря, що в свою чергу буде продовжувати підтримувати
постійну швидкість обертання(рис. 5). [3].
Рис. 5 – Пневматичний кроковий двигун (Curtiss W. Robinson, Eugene T. Raymond)
Перевагами даної конструкції є можливість
обертання та необмежений рух у різних напрямках, підтримка постійної швидкості
та можливість використання останнього, як силового приводу за рахунок
можливості передачі значних крутних моментів.
Недоліком є складність конструкції та тільки одна
постійна швидкість, немає можливості регулювання швидкості обертання
розподільчого вала.
Проведемо огляд патентів пневматичних крокових двигунів, виданих у Німеччині:
В німецьких патентах розглянемо принцип лінійного
крокового переміщення.
В розробці Klocke Harald, що представлена в
патенті DE 4432867 (A1) реалізований принцип лінійного крокового переміщення за рахунок телескопічної
форми пневмо циліндра в якому поршень складається із двох частин, гільзи та
штока, що підпружинений відносно вхідного штока.
Рис. 6 – Лінійний кроковий привід (Klocke Harald)
Переміщення здійснюється за рахунок покрокового
переміщення штока відносно гільзи за рахунок пазів, що розташовані на поверхні
останньої. При подачі стислого повітря через вхідний отвір, повітря переміщує
клапан, який перекриває отвір в штоці. За рахунок цього починається переміщення
штока на кінці якого нагвинчений клапан управління, який при русі разом із
штоком торкається шапочкою опори і за рахунок руху підпружиненого маленького
штоку спускається повітря до певної міри, оскільки на іншому кінці знаходиться
регулюючий конусний клапан[5].
Рис. 7 – Клапан управління (позиція
підходу до упору)
Рис. 8 – Клапан управління(позиція випуску
певної “порції” повітря )
Рис. 9 – Лінійний кроковий привід (Weimer Peter Dipling)
Крокове
переміщення здійснюється за рахунок регульованої подачі стислого повітря через
систему клапанів, що відкриваються почергово відносно руху поршня і в свою
чергу перешкоджають руху поршня назад в початкове положення(рис. 11).
Повернення в початкове положення здійснюється за рахунок випуску стислого
повітря через кран. Ця система є регулюючим механізмом для телескопічного
поршня (рис. 10)[4].
Рис. 10 – Регулюючий механізм для Рис. 11 – Переріз
3-3
телескопічного поршня
Превагою
даного приводу є простота конструкції, чітко виражене крокове преміщення за
рахунок спеціальних клапанів-опорів, кількість яких можна збільшити і
відповідно збільшити робочий хід.
Суттєвим недоліком є якраз не універсальність
такого приводу, тобто можливість використання лише у машинах, де потрібні не
постійні і не в значній кількості крокові переміщення.
Отже
після короткого огляду по пневматичних крокових двигунах і зваження всіх їх
переваг та недоліків можна дійти висновку, що потрібно розробити новий кроковий
привід із зовсім новим принципом та з точною зупинкою в проміжних точках завдяки
вчасній зупинці вихідного вала.
Література:
1.
US005549013A. Stepping actuator/ Masahiko Kimbara.1996. Appl. No.: 556,832.
2.
US003600115
(A). Fludic stepping motor/ John M. Rhoades. 1971. Appl. No.: 802,859.
3.
US004426911
(A). Rotary digital electropneurmatic actuator/ Curtiss W. Robinson, Eugene T.
Raymond. 1984. Appl. No.: 117,388.
4.
DE 4432867 (A1). Pneumatisch betriebene zylindreinheit/ Klocke
Harald. 1996.
5. DE 3539337 (A1).Druckmittelbetatigbare stelleinrichtung zur einstellung
aufeinanderfolgender schaltschritte / Weimer Peter Dipling.
1987.