Приводные системы в опорно-поворотных устройствах

Самым распространённым применением для приводных систем служат различные опорно-поворотные устройства (ОПУ). Спектр применения таких устройств насчитывает множества решений от камер уличного наблюдения до систем лазерной спутниковой связи.

В российской практике опорно-поворотные устройства чаще всего называют опорным подшипниковым узлом, но мы будем рассматривать различные варианты так называемых Pan&Tilt устройств. В статье мы рассмотрим виды ОПУ и компоненты, которые могут входить в их состав.

Простейшие опорно-поворотные системы могут не содержать электромеханических приводных систем, но в них могут использоваться датчики угла вращения для выставления угла в ручном режиме. Ярким примером такого устройства может быть прибор для измерения высоты в геодезии - ручной тахеометр (на рисунке). Внутри такого прибора находятся высокоточные абсолютные датчики угла поворота (энкодеры), показания с которых оцифровываются и используются при строительстве различных объектов.

Индуктивные абсолютные датчики, поставляемые компанией ИНЕЛСО, уже длительное время используются в данной отрасли. Возможность доработки корпуса под требования заказчика, а также простота монтажа и эксплуатации в сочетании с высокой надежностью делают их незаменимыми помощниками в подобных проектах.

Автоматизированные системы будут содержать в своей конструкции не только энкодеры, но и полноценную приводную систему с использованием мотор-редукторов. Это позволяет не только выставлять двухосевую систему с высокой точностью, но и делать это с любым шагом, не полагаясь на точность человеческой настройки. Подобные решения используют мотор-редукторы с большими передаточными отношениями, так как им не требуется высокая скорость перемещения, но необходима высокая точность позиционирования. Отличным решением в таких системах служат волновые редукторы, которые имеют малую осевую длину и высокий номинальный момент. Волновые редукторы и микродвигатели Assun Motor отлично справляются с подобной задачей и позволяют получить высокоточный безлюфтовый привод в габаритах 20 мм в диаметре и до 100 мм в длину. В привод такого размера могут входить бесколлекторный двигатель, волновой редуктор и абсолютный энкодер.

Данные решения актуальны не только в геодезии, но во всех сферах, где требуются прецизионное перемещение и малые размеры. Например, в спутниках, где соотношение веса и выходной мощности является определяющим. При этом решения, используемые внутри спутниковых систем, должны быть не только компактными, легкими и эффективными, но и иметь огромный срок наработки на отказ, так как подобные системы не подлежат ни ремонту, ни обслуживанию в процессе эксплуатации.

Микроприводы Assun Motor подходят для эксплуатации в условиях космоса, обладают высокой надёжностью и могут применяться в системах раскрытия и вращения солнечных панелей. При работе в космосе важно не только выполнять задачи, связанные с вращением в сложнейших условиях окружающей среды, но и выдерживать вывод на околоземную орбиту, т.к. устройство калибруется на Земле и испытывает весь спектр перегрузок во время нахождения на ракетоносителе.

Менее требовательным к внешним факторам, но не менее сложным устройством является вышка для кинематографической видеоаппаратуры, которая может быть расположена на различных подвижных объектах. Данные устройства должны обладать приводными комплексами гиростабилизации, который будет нивелировать любые угловые отклонения в двух плоскостях в процессе движения транспортного средствах. Подобные решения требовательны не только к приводным системам, датчикам обратной связи и к гироскопическим модулям, но и к управляющей электронике и её быстродействию. Такие стабилизированные платформы могут строиться на системах управления с использованием много осевого мастер-контроллера для упрощения программирования и настройки исполнительных осей. Так, например, поворотные столы в большинстве случаев являются много осевыми, и, разумеется, мастер-контроллер должен обеспечивать точное позиционирование всех рабочих органов относительно друг друга.

О выборе инерциальных датчиков для гиростабилизации в видеоаппаратуре мы подробно рассказывали в нашем материале по гироскопам.

На первый взгляд, это совершенно не пересекающиеся между собой применения, но их все объединяет наличие опорно-поворотного узла, который состоит из двух и более осей.

Классическое опорно-поворотное устройство содержит 2 оси вращения, модули управления электроприводами (в составе которого могут быть: волновые или планетарные редукторы; цилиндрические коллекторные или бесколлекторные, или моментные электродвигатели; датчики обратной связи; тормозные муфты), вращающиеся контактные устройства (токопереходы), гироскопы.

Использование приводных систем на основе волнового звена позволяет крепить «полезную нагрузку» непосредственно на выходной вал электропривода, что делает систему более компактной. Моментные двигатели, которые могут при небольшой осевой длине создавать нужный момент на входном валу волнового редуктора. Использование резольвера и абсолютного датчика на выходном валу позволяет достигать высокой точности определения положения нагрузки, даже после потери питания системы и продолжить работу без холодного движения в поисках «нулевой точки».

Использование данных компонентов открывает новые возможности по разработке опорно-поворотных устройств, так как они позволяют скомпоновать приводной опорный узел осевой длиной около 40 мм, включая датчики угла поворота, волновой редуктор и моментный электродвигатель.

Такие системы могут быть собраны и без редуктора, что позволит сохранить динамические характеристики электродвигателя. Но, как правило, требования к крутящему моменту не позволяют отказаться от редуктора, так как для обеспечения равных силомоментных характеристик потребуется использовать более массивный моментный двигатель. В связи с этим, такие системы применимы в очень компактных решениях, где вес и габариты редуктора могут сказываться на применяемости конструкции в целом. Примерами таких применений могут быть системы, где нет требований по габаритам или токопотреблению осей вращения, так как с увеличением мощности приводной системы растет и требование к обеспечению электропитанием.

Рассмотрим параметры приводных систем, которые могут быть использованы в опорно-поворотных устройствах.

Параметры волновых редукторов для ОПУ

При данных параметрах осевая длина волновых редукторов начинается от 11 мм, но при этом передаточные отношения могут быть от 30:1 до 160:1, динамические нагрузки на вал - до 43 кН, статическая нагрузка - 82 кН. Данные преимущества позволяют использовать выходной вал редуктора как полноценный элемент опоры для полезной нагрузки.

На параметры точности позиционирования, а также возможность слежения или работы в условиях экстренного отключения электропитания, влияют параметры датчиков угла вращения. В ОПУ целесообразно использовать абсолютные энкодеры, позволяющие сохранить значение угла поворота даже при отключении электропитания. В каталоге ИНЕЛСО представлены энкодеры с различными технологиями измерения: магнитные, оптические и индуктивные. Выбор конкретной технологии зависит от особенностей применения: например, в роботе, работающем в условиях сильных электромагнитных помех, целесообразно использовать оптический датчик, который менее подвержен данным помехам. В лабораторном испытательном оборудовании (в частности, в поворотных столах) лучше использовать магнитные энкодеры А индуктивные энкодеры, в свою очередь, подойдут для работы в условиях повышенного загрязнения.

Параметры энкодеров для ОПУ

Для удобства заказчиков мы можем разработать приводной узел по вашему техническому заданию с заданным уровнем локализации ключевых узлов. Сервоприводы ФЕРЗЬ - это готовое интегрированное решение, на основе волнового редуктора, моментного двигателя, а также датчиков обратной связи и тормозной муфты. Стандартный каталожный модельный ряд насчитывает более 1 миллиона комбинаций, позволяя Вам провести испытания каталожного продукты с заданными параметра внутри вашей системы.

Параметры приводных систем определяют динамические характеристики, связанные с ускорениями. В подобных системах нужны продукты, которые будут сообщать в систему данные для компенсации угловых перемещений, которые установлены как на полезной нагрузке, так и у основания ОПУ. Одно- и двухосевые гироскопы могут быть выполнены по 3 технологиям: МЭМС гироскопы, волоконно-оптические гироскопы и лазерные гироскопы

Параметры гироскопов для ОПУ

В зависимости от требуемых параметров точности или динамических характеристик выбирается то или иное изделие, также могут быть использованы готовые к применению двухосевые инклинометры.

Компания ИНЕЛСО специализируется на промышленной интеграции приводных решений, датчиков угла вращения и линейного перемещения, инерциальных датчиков и модулей, лабораторных источников питания. Специалисты компании ИНЕЛСО помогут с выбором подходящих комплектующих для проекта любой сложности.

Статья подготовлена сотрудниками ИНЕЛСО. При подготовке данной статьи использовались материалы из открытых онлайн источников. Впервые статья была опубликована в журнале ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, №6-2024