Stosuje się również inne rozwiązania przekształcające ciśnienie w cylindrze na ruch 

obrotowy (śruby, krzywki) oraz siłowniki pneumatyczne membranowe, tj. sztuczne mięśnie 

pneumatyczne.

4. Napędy elektryczne

W  pierwszej fazie rozwoju robotów przemysłowych stosowano napędy pneumatyczne i 

hydrauliczne.   Wzrost   wymagań   w   stosunku   do   robotów   drugiej   i   wyższych   generacji 

spowodował rozwój napędów elektrycznych. Szacuje się obecnie, że 50% robotów ma napęd 

elektryczny.

Napędy elektryczne mają następujące zalety:

 niska cena napędu i układu sterowania w porównaniu z napędem hydraulicznym;

 prostota układu zasilania;

 duża niezawodność;

 duża prostota czynności konserwacyjnych;

 praca bez hałasu;

 małe wymiary układu sterowania i zasilania.

Wadami napędu elektrycznego są:

 niekorzystny,   w   porównaniu   z   napędem   hydraulicznym,   stosunek   mocy

do masy urządzenia, szczególnie dla dużych mocy. Stąd też przy manipulatorach o bardzo 

dużym udźwigu nie stosuje się napędu elektrycznego;

 właściwości   dynamiczne   napędu   elektrycznego   pomimo   dużego   postępu

w   tej   dziedzinie,   wciąż   są   gorsze   od   właściwości   dynamicznych   napędu

hydraulicznego;

 wrażliwość na długotrwałe przeciążenia, mogące doprowadzić do spalenia silnika;

 duże   prędkości   kątowe   znamionowe   wymagające   stosowania   przekładni

redukcyjnych.

Spośród   różnych   silników   elektrycznych   największe   zastosowanie   znalazły 

komutatorowe silniki elektryczne prądu stałego i krokowe silniki elektryczne, zwłaszcza w 

tzw.   bezpośrednim   napędzie   elektrycznym.   Te   ostatnie   dobrze   nadają   się   dla   celów 

pozycjonowania.   Bezkomutatorowe   indukcyjne   silniki   elektryczne   nie   są   korzystne   przy 

zmiennej   prędkości   obrotowej   i   przy   zmianach   kierunku   wirowania,   bezkomutatorowe 

synchroniczne silniki elektryczne zaś nie są szeroko stosowane, chociaż mają szereg zalet. W 

33

ich układzie sterowania wymagany jest magnetoindukcyjny bądź optoelektroniczny impulsa-

tor   montowany   na   wale   napędowym,   który   również   jest   niezbędny   dla   komutatorowych 

silników   elektrycznych   prądu   stałego.   Krokowe   silniki   elektryczne   wymagają   dalszego 

doskonalenia   ich   parametrów   siłowych,   geometrycznych   i   sterowania.   Również   liniowe 

silniki elektryczne nie są często stosowane.

Postęp  w budowie silników wykonawczych prądu stałego i silników skokowych 

doprowadził   do   opracowania   konstrukcji   silników   elektrycznych  odpowiadających 

warunkom stawianym przez napędy manipulatorów. Warunki te obejmują m.in.:

 małe znamionowe prędkości kątowe (obrotowe);

 odporność na krótkotrwałe znaczne przeciążenie, np. momenty rozruchowe ok. 10 razy 

większe niż momenty znamionowe;

 zapewnienie   aperiodyczności   procesów   przejściowych   w   całym   zakresie   zmian 

parametrów;

 małe rozmiary;

 mała bezwładność wirnika;

 krótkie czasy rozruchu i hamowania, rzędu milisekund.

4.1. Napędy elektryczne prądu stałego

Najbardziej  rozpowszechnionym  napędem elektrycznym  ramion  manipulatorów 

jest   napęd   z   silnikami   wykonawczymi   obcowzbudnymi   prądu   stałego.   Napęd   taki 

umożliwia zmiany prędkości kątowej w szerokim zakresie - aż do zatrzymania silnika 

przez   zmianę   napięcia   zasilania.   Właściwość   ta   jest   bardzo   dogodna   w   układach 

regulacji nadążnej położenia ramion manipulatora.

Niedogodnością tych napędów jest obecność komutatora i szczotek, gdyż:

 wymagają   one   okresowego   czyszczenia   i   wymiany   szczotek,   szczególnie

często   w   przypadku   pracy   silnika   z   małą   prędkością   i   dużym   prądem,

często spotykanej w napędach manipulatorów;

 iskrzenie       na       komutatorze     utrudnia     zastosowanie     takich       robotów     w

przypadku   dużych   wymagań   ze   względu   na   bezpieczeństwo   i   może   być

źródłem zakłóceń dla elektronicznego układu sterowania robota;

34

 tarcie szczotek o komutator powoduje powstanie strefy nieczułości, gdyż rozruch silnika 

następuje  dopiero  po  przekroczeniu  przez   napięciezasilania  pewnej   wartości  progowej. 

Wartość względna tej wartości progowej jest szczególnie duża dla silników małej mocy.

a)                                                       b)                                            c)   

Rys. 34. Różnice konstrukcyjne między silnikiem a) obcowzbudnym prądu stałego;

b) kubkowym; c) dyskowym (tarczowym)

Silniki  obcowzbudne   prądu  stałego  spotykane  w  manipulatorach   mają:

 stałe   wzbudzenie,   generowane   przez   małe,   lecz   silne   magnesy   trwałe   ze

stopu alnico lub magnesy ceramiczne zawierające tlenki żelaza;

 dużą   liczbę   par   biegunów:   8...12   zapewniającą   względnie   małe   prędkości

maksymalne, nie przekraczające ok. 200 rad/s (2000 obr/min);

 małe momenty bezwładności wirnika, będącego najczęściej cienkim dyskiem z tworzywa 

sztucznego   z   dużą   liczbą   uzwojeń   nadrukowanych   z   oby

dwu stron i wałkiem z lekkiego i wytrzymałego tytanu.

Klasyczny silnik elektryczny może wytrzymać konkurencję z dyskowym pod względem 

stosunku momentu obrotowego do masy. Z drugiej strony dyskowy  silnik elektryczny jest 

szybki w działaniu, ale ma mniejszy moment obrotowy rozruchowy. Jest on budowany dla 

zmniejszenia stałej czasowej oraz bezwładności wirnika, co jest istotne przy projektowaniu 

układów sterowania.

4.2. Silnik dyskowy (rys. 35)

35

Rys. 35. Zasada druku wirnika dyskowego: linie ciągłe uzwojenie po jednej, przerywane – po 

drugiej stronie tarczy izolacyjnej: 1 – część czynna pręta, 2 – połączenia czołowe, 3 – miejsca 

połączeń elementów uzwojeń naniesionych po obydwu stronach tarczy, N,S – biegunowość 

strumienia wzbudzenia

Rys. 36. Schemat silnika dyskowego: 1 – obudowa, 2 – biegun, 3 – piasta, 4 – tarcza, 

5 – cewka, 6 – osłona, 7 – łożyska, 8 – tulejka, 9 - tarcza   

Pozbawiony   rdzenia   ferrytowego   wirnik   silnika   dyskowego   charakteryzuje   się 

pomijalnie   małą   indukcyjnością,   co   znacznie   zmniejsza   kłopoty   związane   z   iskrzeniem 

komutatora. Z drugiej jednakże strony bezferrytowość wirnika sprawia, że silniki dyskowe są 

bardzo wrażliwe na dłuższe przeciążenia. Wynika to stąd, że przy takim wirniku jedynym 

elementem   mogącym   magazynować   wydzieloną   w   nim   energię   cieplną   jest   uzwojenie 

wirnika;   doprowadza   to   do   szybkiego   wzrostu   temperatury   tych   uzwojeń   w   warunkach 

przedłużającego   się   przeciążenia.   Stąd   też   silniki   dyskowe   są   z   reguły   zaopatrywane   w 

zabezpieczenie   „dynamiczne"   przed   przeciążeniami,   zezwalające   np.   na   5...10-krotne 

36

przeciążenia   prądowe   w   okresie   rozruchu   lub   hamowania,   trwającym   ok.   50   ms,   lecz 

ograniczające prąd przy dłuższych przeciążeniach.

Na   rys.   37   przedstawiono   schemat   układu   zasilania   silnika   dyskowego,   równania 

opisujące silnik, jego charakterystyki statyczne i transmitancje operatorowe. Z wyrażenia na 

stałą   czasową   elektromechaniczną   T   wynika,   że   maleje   ona   ze   zwiększeniem   momentu 

rozruchowego   MR   i   z   maleniem   prędkości   znamionowej   kątowej  

ω

n

,   a   wzrasta   ze 

zwiększeniem   momentu   bezwładności   J.   Elektromechaniczna   stała   czasowa   obecnie 

produkowanych   silników   dyskowych,   o   mocach   do   8   kW,   jest   rzędu   2...10   ms.   W 

manipulatorach stosuje się najczęściej silniki o mocach nie przekraczających 1  kW.

                          a)                                                       b)

    

                    c)                                 d)

     

Rys. 37. Schemat układu i blokowy silnika dyskowego prądu stałego: a) schemat; 

b)charakterystyki dla napięcia zasilania o stałej wartości; c) charakterystyki dla momentu 

obciążającego o stałej wartości; d) schemat blokowy i transmitancja

;

E

RI

U

+

=

   

;

dt

d

J

M

M

obc

e

ω

=

−

    

;

ω

e

c

E

=

    

,

I

c

M

m

e

=

,

R

n

m

e

M

I

c

c

RI

T

ω

=

=

  przy czym 

;

e

n

c

U

=

ω

4.3. Sterowanie silników prądu stałego

37

Silniki prąciu stałego są sterowane sterownikami tyrystorowymi (w przypadku większych 

mocy)   lub  tranzystorowymi  (w   przypadku   mniejszych  mocy).   Ze  względu  na konieczność 

zapewnienia sterownikom bardzo dobrych właściwości dynamicznych stosuje się powszechnie 

sterowniki z impulsową modulacją napięcia stałego, umożliwiające dokonywanie przełączeń 

napięcia na zaciskach twornika silnika z częstotliwościami dochodzącymi do 1 kHz; zapewnia 

to   sterownikom   właściwości   dynamiczne   porównywalne   z   właściwościami   dynamicznymi 

silników wykonawczych.

4.3.1. Obwód wyjściowy sterownika 

Rys. 38. Obwód wyjściowy sterownika z impulsową modulacją napięcia stałego: 

U

z

 – napięcie zasilania, L – indukcyjność wygładzająca prąd, T1...T4 – tyrystory; 

D1...D4 – diody, L

m

 – indukcyjności pomocnicze

U

z

 pochodzi z zasilacza prądu stałego. W szeregu z twornikiem silnika wykonawczego 

znajduje   się   indukcyjność   L,   zadaniem   której   jest   wygładzanie   impulsów   prądu.   Układ 

mostkowy tyrystorów T1, ... , T4 umożliwia doprowadzenie napięcia zasilającego o zmie-

niającej   się   biegunowości   do   twornika   silnika   w   czasie   jego   pracy   silnikowej.   Układ 

mostkowy diod D1, ... , D4 umożliwia odzyskiwanie energii oddawanej do zasilacza przez 

silnik podczas hamowania.

Na rys. 39 przedstawiono cztery rodzaje pracy sterownika. Na rysunku pozostawiono 

tylko te tyrystory lub diody, które dla danego sposobu pracy przewodzą prąd. Podczas pracy 

silnikowej   prąd   jest   wymuszany   przez   wprowadzone   na   zaciski   twornika   silnika   napięcie 

zasilające   skierowane   przeciwnie   aniżeli   siła   elektromotoryczna   rotacji   E   twornika   silnika. 

Podczas   hamowania   prąd   jest   wymuszany   przez   siłę   elektromotoryczną   E   skierowaną 

przeciwnie do napięcia zasilającego.

38

Rys. 39. Cztery rodzaje pracy sterownika

Tyrystory T1 i 74 oraz T2 i T3 sterownika są na przemian załączane (doprowadzane do 

stanu   przewodzenia)   lub   wyłączane   (doprowadzane   do   stanu   nieprzewodzenia),   w   wyniku 

czego napięcie U twornika silnika ma przebieg prostokątny.

Na rys. 40 przedstawiono trzy różne przebiegi czasowe napięcia zasilania U i prądu I 

silnika:

a) w przypadku jednakowej szerokości   dodatnich   i   ujemnych   impulsów  napięcia U

z

; w 

każdym   okresie   T   zmian   tego   napięcia   występują   wszystkie   cztery   rodzaje   pracy 

sterownika.  Właściwość   ta   leży  u  podstaw  doskonałych  właściwości dynamicznych 

sterownika. Zmieniając bowiem stosunek szerokości dodatnich i ujemnych impulsów 

napięcia   można  bardzo   szybko   wydłużyć   czas   trwania   określonego   rodzaju   pracy   i 

skrócić czas trwania innego rodzaju pracy. Tym samym można bardzo szybko średnie 

wartości napięcia, prądu i prędkości kątowej (równe 0 w przypadku t

a

  = t

b

) uczynić 

różnymi od zera i wysterować silnik;

b) w przypadku maksymalnej szerokości dodatnich impulsów napięcia prąd  nie zmienia 

kierunku pozostając dodatnim dla  całego okresu T, przy czym  w   każdym   okresie   7 

występują kolejno tylko I i II rodzaj pracy.  Wartości  średnie napięcia  i prędkości 

kątowej są dodatnie, a ich wartości bez względne są największe;

c) w   przypadku   maksymalnej   szerokości   ujemnych   impulsów   napięcia   prąd

również   nie   zmienia   kierunku   pozostając   ujemnym   dla   całego   okresu   T,

39

przy   czym   w   każdym   okresie   T   występują   kolejno   tylko   IV   i   III   rodzaj  pracy. 

Wartości   średnie   napięcia   i   prędkości   Kątowej   są   ujemne,   a   ich  wartości 

bezwzględne są również największe.

a)                                                   b)                                         c)

Rys. 40. Przebiegi napięcia zasilania U i prądu I silnika dla:

a) t

a

=t

b

; b) t

amax

>t

bmin

; c) t

amin

<t

bmax

4.3.2. Układ komutacji sterownika

Komutacją   nazywa   się   wyłączenie   załączonego   tyrystora.   Komutacja   wymaga 

przekazania   tyrystorowi   stosunkowo   dużej   energii   magazynowanej   zwykle   w   specjalnym 

kondensatorze komutacyjnym. Ponowne naładowanie tego kondensatora wymaga czasu; im 

dłuższy ten czas, tym gorsze właściwości dynamiczne ma sterownik. Stąd rozpowszechnienie 

specjalnych   układów   komutacji   zawierających   obwody   szybkiej   regeneracji   kondensatora 

komutacyjnego (rys. 41).

40

Rys. 41. Schemat układu komutacji sterownika: U

z

 – napięcie zasilania; C – kondensator 

komutacyjny, TK1, TK2 – tyrystory komutacyjne, UP – uzwojenie pierwszego transformatora, 

UW – uzwojenie wtórne transformatora, UWR – uzwojenie wtórne regeneracyjne, 

D, D1...D4 – diody, T1...T4 - tyrystory

W układzie tym kondensator komutacyjny C naładowany do napięcia U

c

 zostaje przez 

tyrystor komutacyjny TK1 załączony w momencie komutacji do uzwojenia pierwotnego UP 

transformatora.   Uzwojenia   wtórne   UW   tego   transformatora   generują   w   tym   momencie 

napięcia   wsteczne,   wskutek   czego   załączone   tyrystory   zostają   wyłączone.   Równocześnie 

napięcie   indukowane   w   uzwojeniu   wtórnym   regenerującym   UWR   wzrastając   przekracza 

wartość napięcia zasilania U

z

, wskutek czego przez uzwojenie UWR i diodę D popłynie prąd. 

Prąd   ten   indukuje   w   uzwojeniu   pierwotnym   UP   siłę   elektromotoryczną   zapobiegającą 

całkowitemu   rozładowaniu   kondensatora   C,   wskutek   czego   skraca   się   czas   potrzebny   do 

późniejszego naładowania tego kondensatora do pierwotnego napięcia U

c

  przez włączenie 

drugiego tyrystora komutacyjnego TK2. Obydwa tyrystory komutacyjne TK1 i TK2 komutują 

samoczynnie:

 tyrystor   TK1   pod   wpływem   napięcia   indukowanego   w   uzwojeniu   UP

przez prąd uzwojenia wtórnego regenerującego UWR;

 tyrystor   TK2   pod   wpływem   napięcia   U

c

,   do   którego   zostaje   naładowany

kondensator C.

4.3.3. Zasilacz regenerujący

Zasilaczem regenerującym nazywa się zasilacz prądu stałego mogący również pracować 

jako inwertor, tzn. oddawać energię do sieci prądu przemiennego w przypadku, gdy napięcie 

zasilania odbiornika stanie się wyższe niż napięcie wyjściowe zasilacza.

41

Na rys. 42 przedstawiono schemat zasilacza regenerującego przeznaczonego do zasilania 

obwodu wyjściowego sterownika. W zasilaczu tym diody D1 i D2 tworzą prostownik dwu 

połówkowy zasilający poprzez dławik L filtr RC, którego napięcie wyjściowe jest napięciem 

zasilania U

z

  obwodu wyjściowego sterownika. Tyrystory T1 i T2 pracują jako inwertory z 

odpowiednio   przesuniętymi   stałymi   momentami   załączania   dobranymi   tak,   że   przy 

znamionowym   napięciu   wyjściowym   U

z

  prąd   inwertora   I,   jest   równy   0.   Jeżeli   natomiast 

napięcie U

z

 stanie się wyższe niż znamionowe (co nastąpi przy pracy hamulcowej silnika), to 

prąd I, stanie się różny od zera i wskutek przełączania tyrystorów T1 i T2 zostaje oddany do 

sieci prądu przemiennego.

Rys. 42. Schemat zasilacza regeneracyjnego: D1 i D2 – diody, T1 i T2 – tyrystory, 

L – indukcyjność, R i C – rezystancja i pojemność filtru 

4.4. Silniki krokowe (skokowe) elektryczne

Zasada pracy wszystkich silników krokowych opiera się na dyskretnych  zmianach 

pola   elektromagnetycznego   w   szczelinie   silnika.   Za   zmianami   położenia   osi   pola 

wzbudzającego podąża wirnik, który cyklicznie zajmuje określone położenia w przestrzeni. 

Liczba tych położeń jest zawsze większa niż dwa na jeden obrót.

Krokowe   silniki   elektryczne   umożliwiają   więc   zamianę   dyskretnego   sygnału 

elektrycznego na przyrostowy moment położenia kątowego. Są one typu synchronicznego, 

co umożliwia korelację pomiędzy położeniami wejściowym i końcowym.

Wyróżnia się trzy rodzaje krokowych silników elektrycznych:

 magnetoelektryczne (ze stałymi magnesami),

 reluktancyjne (ze zmienną reluktancją),

 hybrydowe (łączą własności pozostałych odmian).

42

Z punktu widzenia zastosowań w robotach silniki skokowe mają następujące zalety:

 łatwość   ich   sterowania   za   pomocą   sygnałów   cyfrowych   generowanych

przez komputer;

 możliwość uzyskania bardzo dużych dokładności pozycjonowania napędzanego ramienia 

lub palców  przy sterowaniu w  torze otwartym,  tj. bez konieczności  pomiaru  położenia. 

Silniki skokowe stanowią więcalternatywę dla serwomechanizmów położenia.

Ich wadami są nieciągłe wartości przyśpieszeń, ograniczone osiągi, zmienne momenty 

zależne od położenia oraz zbyt małe wartości momentów (wady tej nie mają silniki skokowe 

elektryczno-hydrauliczne).

Silnik   reluktancyjny   przedstawiony   na   rys.   43   ma   stojan   o   12   biegunach 

przesuniętych względem siebie o 30° oraz wirnik o 8 biegunach przesuniętych względem 

siebie   o   45°.   Uzwojenia   stojana   są   połączone   szeregowo   w   trzy   grupy,  z których 

każda zawiera 4 uzwojenia. Grupy te są kolejno wzbudzane prądem stałym, w wyniku 

czego wirnik ustawia się w sposób minimalizujący  reluktancję obwodu magnetycznego 

zamykającego strumień magnetyczny wytworzony przez daną grupę uzwojeń. I tak np. 

przy przepływie prądu  przez uzwojenie grupy 1 bieguny wirnika najbliższe biegunom 

uzwojeń tej grupy ustawią się jak na rysunku. Wzbudzenie samego uzwojenia 2 sprawi, że 

wirnik obróci się o kąt krokowy równy 45°-30° = 15° w lewo.

Rys. 43. Silnik elektryczny krokowy: a) reluktancyjny; b) o magnesie trwałym

1, ..., 4 – zaciski uzwojeń, 5 (c – common) – zacisk wspólny

Na rys. 44 przedstawiono zasadę działania krokowego silnika elektrycznego o wirniku 

czynnym   z   dwubiegunowym   magnesem   trwałym.   Na   rysunku   pokazano   sytuacje 

odpowiadające czterem kolejnym taktom komutacji uzwojenia. Po zasileniu cewki bieguna 1 

napięciem (takt 1) wytworzy ona strumień magnetyczny  

Φ

1

=

Φ

s

  skierowany jak na rysunku. 

Spolaryzowany dwubiegunowo wirnik  zajmie takie położenie, aby zwrot kierunku strumienia 

magnetycznego wirnika był zgodny ze zwrotem kierunku strumienia magnetycznego stojana. 

43

Jeżeli teraz dodatkowo zostanie zasilona cewka bieguna 2 (takt 2), to strumień stojana  

Φ

s 

będący wypadkowym strumieniem 

Φ

1

 i 

Φ

2

 zmieni położenie przestrzenne i na wirnik zacznie 

działać moment obrotowy (od współdziałania strumienia stojana i wirnika) powodujący obrót 

wirnika   do   pokrycia   się   zwrotu   jego   osi  magnetycznej   ze   zwrotem   kierunku   strumienia 

magnetycznego stojana. Kolejny  skok wirnika  nastąpi  po odłączeniu  od źródła zasilania 

cewki bieguna 1 (takt 3), a czwarty po dodatkowym zasileniu cewki bieguna 3. Po ośmiu ta-

kich taktach komutacji wektor strumienia stojana i wirnik wykonują pełny obrót. Wadą tego 

sposobu sterowania jest konieczność stosowania impulsów o różnej polaryzacji.

Rys. 44. Zasada działania krokowego silnika elektrycznego o wirniku czynnym

4.5. Silniki skokowe elektryczno-hydrauliczne

Silniki   skokowe   elektryczno-hydrauliczne   są   elektryczno-mechaniczno-

hydraulicznymi   dyskretnymi   przetwornikami   binarnych   sygnałów   elektrycznych   na   kąt 

obrotu lub przesunięcie wału siłownika hydraulicznego.

Podobnie jak dla silników  skokowych  elektrycznych  kąt obrotu lub przesunięcie 

wału mogą przyjmować jedynie wartości dyskretne będące całkowitymi wielokrotnościami 

kąta   krokowego   lub   przesunięcia   krokowego.   Idea   elektryczno-hydraulicznego   silnika 

skokowego   polega   na   sprzęgnięciu   elektrycznego   silnika   skokowego   z   hydraulicznym 

wzmacniaczem   suwakowym   ruchu   obrotowego   lub   posuwistego,   który   z   kolei   steruje 

siłownikiem hydraulicznym.

44

Silniki   skokowe   elektryczno-hydrauliczne   można   podzielić   na   silniki   ruchu 

obrotowego i silniki ruchu posuwistego.

Na   rys.   45   przedstawiono   budowę   silnika   ruchu   obrotowego.   Silnik   ten  składa   się   z 

klasycznego   silnika   hydraulicznego   ruchu   obrotowego  (wirnik,   tłok,   tarcza   napędowa 

sprzęgnięta z wałem silnika, nieruchoma tuleja przełącznika obrotowego). Silnik hydrauliczny 

jest sterowany za pomocą hydraulicznego przełącznika obrotowego składającego się z rdzenia 

napędzanego   przez   silnik   skokowy   elektryczny   oraz   osłony   sprzęgniętej  z   wirnikiem   i 

nieruchomej tulei, na której ślizga się wirnik. Obrót wału silnika skokowego elektrycznego 

sprawi, że rdzeń połączy jedną z komór z ciśnieniem wysokim, a drugą komorę – z ciśnieniem 

niskim. W wyniku  wirnik obróci się, a wraz z nim obróci się osłona nadążająca za ruchem 

rdzenia, wskutek czego droga zasilania komór zostanie ponownie przerwana  i wirnik silnika 

hydraulicznego zatrzyma się. A więc wirnik silnika hydraulicznego wykonuje kroki nadążające, 

śledzące kroki silnika skokowego elektrycznego.

Rys. 45. Silnik elektrohydrauliczny skokowy ruchu obrotowego:

p

1

 – ciśnienie niskie, p

2

 – ciśnienie wysokie

45

Na   rys.   46   przedstawiono   budowę   silnika   ruchu   posuwistego.   W   silniku  tym 

przełącznik ma dwa tłoki i jest zakończony śrubą wkręcającą się w tłok siłownika hydraulicznego 

ruchu posuwistego. Przełącznik zostaje obrócony o kąt krokowy przez sprzęgnięty z nim silnik 

skokowy   elektryczny.   Zależnie  od   kąta   obrotu   nastąpi   wkręcenie   się   śruby   w   tłok   lub   jej 

wykręcenie, co doprowadzi do przesunięcia tłoków przełącznika, w wyniku czego do komory 

doprowadzone zostanie ciśnienie wysokie p

2

 lub niskie p

1

. Pod wpływem powstałej różnicy sił tłok 

zacznie się przesuwać, przy czym przesunięcie  to nastąpi zawsze w takim kierunku, by tłoki 

przełącznika doprowadzić do pozycji neutralnej. Po osiągnięciu tej pozycji tłok zatrzyma się do 

momentu   wykonania   przez   silnik   skokowy   elektryczny   następnego   kroku.   A   więc   w 

rozpatrywanym  rozwiązaniu tłok siłownika hydraulicznego wykonuje przesunięcie krokowe 

nadążające za obrotami skokowymi silnika skokowego elektrycznego.

Rys. 46. Silnik elektrohydrauliczny skokowy ruchu posuwistego:

p

1

 – ciśnienie niskie, p

2

 – ciśnienie wysokie

4.6. Liniowe silniki elektryczne

Na  rys. 47 pokazano główne zespoły takiego silnika. Silnik ten składa się z okładek z 

wypełnieniem   epoksydowym,   w   którym   porusza   się   magnes   stały   stanowiący   biegnik. 

Biegnik porusza się na łożysku pneumatycznym o grubości 0.0132 mm.

Na   rys.   48   pokazano   fazy   ruchu   liniowego   silnika   elektrycznego.   Każda   nowa   faza 

pobudzania wywołuje przemieszczenie o 1/4 podziałki ruchu biegnika w stosunku do okienek. 

W ten sposób realizuje się ruch o 3/4 podziałki. Na każdym rysunku zwrot kierunku przepływu 

prądu zaznaczono strzałkami.

Jeżeli elektromagnes A(EMA) jest pobudzony, maksymalna gęstość przepływu powstaje 

w biegunie 2 i ustawienie jest pokazane na rysunku a). Jeżeli A jest niepobudzony, a EMB jest 

46

pobudzony, maksymalna gęstość przepływu powstaje w biegunie 3, a minimum gęstości w 4. 

Siły przyciągania w biegunie 3 wywołują przesunięcie zęba na prawo.

Czasami   liniowy   silnik   elektryczny   umożliwia   realizację   bezpośredniego   napędu 

elektrycznego.   Na   ogół   pozycja   wirnika   względem   okładek   jest   dyskretna.   Liniowy   silnik 

elektryczny ma pełny krok rozdzielności zdefiniowanej przez powierzchnię zęba na biegunach. 

Typowa podziałka wynosi 1.016 mm. Dla sekwencji pokazanej na rysunku rozdzielność wynosi 

1/4 podziałki, tzn. 2.6 mm. Te pozycje nazywa się czasami "podstawowym krokiem".

Możliwe   jest   również   rozwiązanie   konstrukcyjne   liniowego   silnika   elektrycznego   z 

dwoma ortogonalnymi biegnikami w jednej ramie.

Rys. 47. Główne zespoły dwufazowego liniowego silnika elektrycznego

(General Signal Corp. Santa Clara, CA)

47

Rys. 48. Fazy ruchu dwufazowego liniowego silnika elektrycznego

4.7. Silnik elektryczny stanowiący bezpośredni napęd elektryczny

W latach osiemdziesiątych został zaprojektowany nowy rodzaj silnika elektrycznego, 

który   umożliwia   realizację   bezpośredniego   napędu   elektrycznego   robota   (z 

wyeliminowaniem   przekładni   zębatej).   Ten   nowy  przetwornik   elektromechaniczny   został 

wyprodukowany   przez   Motornetics   Corporation   i  został   nazwany   "Megatorąue   motor 

system". Wytwarza on duży moment obrotowy, tzn. 507-14480 Nm przy małych wartościach 

prędkości obrotowych (0.5 obr/s)  bez potrzeby stosowania reduktora prędkości obrotowej. 

Ponadto   częścią  integralną   silnika   elektrycznego   jest   czujnik   położenia,   który   umożliwia 

rozdzielczość   impulsów   porównywalną   z   optoelektronicznymi   impulsatorami  położenia 

stosowanymi obecnie w manipulatorach.

Silnik   elektryczny   typu   Megatorque   jest   trójfazową   maszyną   elektryczną   prądu 

przemiennego wyposażoną w komutator elektroniczny, podobnie jak komutatorowy silnik 

prądu   stałego   z   komutatorem   mechanicznym.   Jest   on   maszyną   elektryczną   o   zmiennej 

reluktancji i nie ma magnesów stałych.

48

Rys. 49. Przekrój silnika typu Megatorque – napęd bezpośredni 

(B. Powell i Motornetics Corp. finans. SK, Santa rosa, CA)

Model 1140

Rys. 50. Ćwiartka sekcji blaszki silnika typu Megatorque z dwoma 

stojanami ulokowanymi wokół wirnika

49

 

Sercem  silnika  jest zespół  blaszek, które  łączą  wirnik  i stojan.  Na rys.  50 pokazano 

przykład takiej blaszki. Z rysunku wynika, że cienki obrączkowy wirnik jest zamontowany 

między dwoma koncentrycznymi stojanami. Oba stojany oddziałują na wirnik i wytwarzają 

wzmocniony moment  obrotowy.  Duża liczba zębów  magnetycznych  wirnika i dwa stojany 

powodują wytwarzanie dużej wartości momentu obrotowego.

Trójfazowe   pole   magnetyczne   jest   wytwarzane   przez   36   zezwojów   dwóch   uzwojeń 

stojanów (18 zezwojów na każdy z dwóch stojanów), Każdy ze stojanów ma 150 zębów, wirnik 

zaś   działa   jak   biegun   silnika   elektrycznego.   Moment   obrotowy   jest   wytwarzany   przez 

sekwencyjne wzbudzanie zezwojów tych 12 biegunów. Dla jednego obrotu wirnika występuje 

150   zmiennych   cykli,   które   dają   przełożenie   150:1,   co   koresponduje   ze   wzmocnieniem 

momentu obrotowego elektromechanicznego.

Należy   zauważyć,   że   zastosowane   w   tym   rozwiązaniu   konstrukcyjnym   umieszczenie 

wirnika   między   dwoma   stojanami   umożliwia   uzyskanie   takich   samych   parametrów 

znamionowych,   jakie   miałby   konwencjonalny  silnik   elektryczny   z  300   biegunami   lub   900 

zezwojami uzwojenia stojana. Inną zaletą umieszczenia wirnika między dwoma stojanami jest 

skrócenie drogi przepływu strumienia magnetycznego.

5. Mechanizmy przekazywania ruchu stosowane w robotach

Mechanizmy   przekazywania   ruchu   służą   do   transmisji   ruchu   silnika   (silników)   do 

członów   otwartego   łańcucha   kinematycznego   manipulatora   lub   robota   zawierającego   pary 

kinematyczne - obrotowe lub postępowe.

W niektórych przypadkach, kiedy mamy do czynienia z zamkniętymi łańcuchami, np. 

mechanizm pantografu, człony poruszają się jednocześnie i mechanizmy przekazywania napędu 

są lokowane w inny sposób.

Należy zdawać sobie sprawę, że przy przekazywaniu ruchu, ze względu na luzy w parach, 

tarcie,   podatność,   obciążenia,   występują   zjawiska   dynamiczne   (drgania),   które   wpływają 

niekorzystnie   na  pozycjonowanie   chwytaka.   Stąd  rozmieszczenie   siłowników   oraz   różnych 

przekładni powinno być takie, aby zmniejszyć niekorzystny wpływ zjawisk dynamicznych i 

statycznych.

5.1. Przekładnie pasowe

50