Глава 3. Мехатронные модули движения

Рассмотрим основные виды однокоординатных модулей движения, разработанных для решения задач автоматизированного 'машиностроения. Мехатронные модули движения (ММД) являются функциональными "кубиками", из которых затем можно компоновать сложные мехатронные системы, примеры которых рассматриваются в гл.4.

Общая схема, поясняющая эволюцию развития мехатронных модулей движения от моторов-редукторов до перспективных интеллектуальных модулей, приведена на рис.3.1. Предлагаемая схема, несмотря на ее очевидную условность, разработана с целью систематизации известных ММД по составу и степени интеграции элементов.

3.1. Моторы-редукторы

Моторы- редукторы являются, по-видимому, исторически первыми по принципу своего построения мехатронными модулями, которые стали серийно выпускаться и нашли очень широкое применение в приводах различных машин и механизмов. Мотор-редуктор представляет собой компактный конструктивный модуль, объединяющий электродвигатель и редуктор. По сравнению с традиционным соединением двигателя и редуктора через муфту моторы- редукторы обладают целым рядом существенных преимуществ:

• сокращение габаритных размеров;

• снижение стоимости за счет сокращения количества присоединительных деталей, уменьшения затрат на установку, наладку и запуск изделия;

• улучшенные эксплуатационные свойства (пыле- и влагозащищенность, минимальный уровень вибраций, безопасность и надежность работы в неблагоприятных производственных условиях).

Конструктивное исполнение модуля определяется типами используемых редуктора и электродвигателя. В зависимости от технических требований задачи применяются цилиндрические, насадные, конические, червячные и другие виды редукторов. В качестве электродвигателей наиболее часто используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором и регулируемыми преобразователями частоты вращения, однофазные двигатели и двигатели постоянного тока.

Общий вид одноступенчатого червячного мотора-редуктора (изготовитель АО "Завод Редуктор", С-Петербург) показан на рис.3.2,а. Редуктор выпускается для общемашиностроительного применения. Особенность конструкции состоит в том, что в ступице червячного колеса

26

встроена предохранительная муфта, позволяющая ограничивать развиваемый крутящий момент.

Основные технические характеристики данного мотора-редуктора (типоразмер МРЧс-82):

мощность электродвигателя - 0.27 кВт,

номинальная скорость вращения выходного вала - 0.28 с"¹,

максимальный момент на выходном валу - 50 Нм,

передаточное число редуктора - 86,

габаритные размеры модуля - 500 х 255 х 245 мм,

масса модуля - 35 кг.

На рис.3.2,6 показан насадной мотор-редуктор фирмы "Бауэр", который насаживается непосредственно на вал ведомого механического устройства и поэтому является быстросъемным модулем. Блочно-модульный принцип конструирования позволяет комбинировать в модуле двигатели и редукторы различных типов и мощностей, обеспечивая таким образом широкий спектр механических характеристик модуля: по частоте вращения от 0.2 до 160 об/мин, по мощности от 0.015 до 75 кВт.

Рис. 3.2. а) общий вид червячного мотора-редуктора; б) общий вид насадного мотора-редуктора.

Стоимостной анализ, проведенный фирмой "Бауэр" [28], показал, что применение моторов-редукторов рентабельно в машинах с низкой скоростью перемещения рабочего органа (особенно при частотах вращения ниже 500 1/мин ).

Таким образом, потребитель приобретает и эксплуатирует мотор-редуктор как единый модуль, догадываясь о наличии в его составе зубчатых передач только из названия и при смене масла.

28

По сравнению с синхронными двигателями вентильные ВМД позволяют регулировать скорость вращения с помощью обратной связи, частота вращения не зависит от напряжения питания, нет проблемы выпадения из синхронизма.

Основной недостаток вентильных двигателей - наличие дорогостоящих магнитов и блока управления коммутацией обмоток, отсюда пониженный показатель мощность/цена и повышенные габариты. В современных модификациях эта проблема решается путем построения этих блоков на базе относительно дешевых интегральных микросхем.

В табл.2 приведены технические характеристики отечественных бесконтактных двигателей серии ДБМ (разработчики и изготовители ЗАО "Машиноаппарат" и ТОО "МЭЛМА", г. Москва) [2].

Таблица 2

В состав современных мехатронных модулей движения на основе ВМД обязательно входят также датчики обратной связи и иногда управляемые тормоза, что позволяет отнести такие ММД ко второму поколению (см.рис.3.1). В качестве датчиков наиболее часто применяются фотоимпульсные датчики (инкодеры), тахогенераторы, резольверы и кодовые датчики положения. Принципиально важно, что модуль "двигатель-датчик" имеет единый вал, что позволяет сочетать высокие технические параметры и низкую стоимость. Конструктивная схема модуля "двигатель постоянного тока - встроенный тахогенератор", иллюстрирующая эту идею, приведена на рис.3.3.

устройство компьютерного управления должно выполнять в реальном времени следующие основные функции:

• прием информации от стратегического уровня в форме команд управления движением;

• прием и обработку информации от датчиков положения манипулятора о текущей конфигурации для расчета элементов матрицы Якоби;

• обращение матрицы Якоби;

- умножение обратной матрицы Якоби на вектор-столбец программной скорости рабочего органа;

- выдача программы управления на исполнительный уровень. Назначением исполнительного уровня управления является расчет и

выдача управляющих сигналов на блок приводов мехатронной системы в соответствии с программой управления с учетом технических характеристик силовых преобразователей. Типичные алгоритмы регулирования исполнительного уровня приведены в п.5.4.

Для иерархических систем управления в мехатронике действует принцип, сформулированный проф. Саридисом (8апшз О.К) , согласно которому по мере продвижения от высших к низшим уровням управления понижается интеллектуальность системы, но повышается ее точность (данный принцип в англоязычной литературе имеет аббревиатуру ГРШ -1псгеа$ш§ Ргесшоп мйш Оесгеазтд 1п1еШ§епсе). При этом под "интеллектуальностью" понимается способность системы приобретать специальные знания, позволяющие уточнить поставленную задачу и определить пути ее решения, а под "неточностью" - неопределенность в операциях по решению данной задачи.

Рассмотрим несколько примеров мехатронных модулей и систем с интеллектуальным управлением, обладающих некоторыми из перечисленных признаков.

5.4. Системы управления исполнительного уровня

Контроллеры движения, архитектура и технические характеристики которых рассмотрены в п.3.5.1, являются устройствами управления исполнительного уровня согласно принятой иерархии управления движением мехатронных систем (рис.5.4). Назначение устройства управления состоит в обеспечении заданных требований по устойчивости, точности и качеству переходных процессов в системе при достижении цели управления движением, которая поступает с тактического уровня управления. При этом необходимо учитывать специфику мехатронных объектов управления, отмеченную в п.5.1.

Структурная схема системы управления движением, реализуемая типовым контроллером, представлена на рис.5.5. В состав системы входят

30

75

точность позиционирования - 0.0069 утл. Град,

электропитание -115 В или 230 В (однофазное),

максимальный момент - до 200 Нм,

номинальная скорость - до 1 рад/с.

Перспективными являются также датчики скорости и положения, действующие без механического соединения с валом двигателя [46].

В нашей стране в рамках Государственной научно-технической программы "Технологии, машины и производства будущего" в 1997-99 годах создаются низкооборотные модули вращательного движения с моментом до 2500 Нм, максимальной скоростью до 800 об/мин для поворотных столов станков, измерительных машин, роботов и многоцелевых инструментальных головок [24].

Также модули данного типа могут применяться в нетрадиционных транспортных средствах: электромобилях, электровелосипедах, инвалидных колясках и т.п.

3.3. Мехатронные модули линейного движения

Рассмотренный в 3.2 мехатронный подход к построению модулей вращательного движения на базе высокомоментных двигателей получил в последние годы свое развитие и в модулях линейного перемещения. Цель проектирования аналогична - исключить механическую передачу из состава ММД.

Мехатронные модули движения на основе линейных высокомоментных двигателей (ЛВМД) находят все большее применение в гексаподах (см.гл.4), высокоскоростных станках (многоцелевых, фрезерных, шлифовальных), комплексах для лазерной и водоструйной резки, вспомогательном оборудовании (крестовых столах, транспортерах)

[б].

Традиционные электроприводы линейных перемещений включают в себя двигатель вращательного движения и механическую передачу для преобразования вращения в поступательное движение (шарико-винтовую передачу (ГТТВП), зубчатую рейку, ленточную передачу и т.п.). С начала 80-х годов известны разработки собственно линейных двигателей, однако из-за низких удельных силовых показателей они имели ограниченную область применения (графопостроители, координатно-измерительные машины) и в автоматизированном оборудовании не могли быть использованы.

Основные преимущества модулей на базе ЛВМД по сравнению с традиционными линейными приводами:

- повышение в несколько раз максимальной скорости движения (до 150-210 м/мин) и ускорения (в перспективе до 5§);

- высокая точность реализации движения; ,

Рассмотрим элементарное действие "Вывод рабочего органа в заданную позицию" на примере манипуляционного механизма (рис. 5.1, 5.2). Обозначим:

х_р - координаты характеристической точки схвата,

х - декартовые координаты целевой точки. Проанализируем некоторые варианты формализации .

!• Х, = Х«

Для выполнения данного уравнения необходим абсолютно точный вывод характеристической точки Р схвата в целевую точку О, что технически невозможно.

2. \х_г-Х~ке ,

где е - технологически допустимая погрешность позиционирования схвата.

з. \х_р(*к) = о .

где I ^ время окончания движения.

Анализируя предложенные варианты 1-3 для данного примера, можно сделать выводы, важные в целом для мехатронных систем:

- цель управления может быть формализована неоднозначно (даже для казалось бы простых действий) ;

форма модели может быть различна (алгебраические и дифференциальные векторные уравнения, неравенства);

- выбор способа формализации субъективен и зависит от опыта разработчика и его видения постановки задачи.

Подробно проблематика и подходы к формализации целей применительно к задачам управления движения технических (в частности, робототехнических) систем рассмотрена в монографиях проф. Г.В.Коренева [18].

Сенсоры интеллектуального и стратегического уровней должны соответствовать органам чувств человека (для интеллектуальных роботов в первую очередь это техническое зрение, тактильное и силомоментное очувствление, устройства анализа звуковых и ультразвуковых сигналов).

Стратегический уровень выдает информацию о плане движения и целях управления в форме команд управления движением. Так для робота РМ - 01 разработан специальный язык АКР8 (Аауапсед КоЬо! Ргоегапшипё 8уз1ет). Примеры и форматы некоторых команд этого языка приведены в табл.4. Подробные инструкции программирования движений можно найти

32

73

Рис. 3.5. Мехатронный модуль мотор-шпиндель: 1 - шпиндель, 2 - статор, 3 - вентилятор.

Для реализации на станках высокопроизводительных режимов резания разработаны шпиндельные узлы на электромагнитных опорах, которые обеспечивают скорость вращения до 200000 об/мин. Схема шпиндельного узла на электромагнитных опорах (ЭМО) показана на рис.3.6. Частота вращения ротора асинхронного двигателя регулируется изменением частоты питающего напряжения на статоре . Модуль имеет четыре опоры, две радиальные и две осевые Дополнительным электронным элементом данного мехатронного модуля является система стабилизации положения оси ротора [7]. Под действием возмущающих усилий возникают отклонения в положении ротора, которые измеряются соответствующими осевыми и радиальными датчиками информации. Устройство компьютерного управления, автоматически регулируя рилу 1 2 У $ $

11 19 9 9

Рис.3.6. Шпиндельный узел на электромагнитных опорах:

1,5,9,11 - радиальные датчики информации;

6,7 - осевые датчики информации;

4 - статор асинхронного двигателя;

2, 10 - радиальные электромагнитные опоры;

8 - осевые электромагнитные опоры.

34

предложена в работах академика Е.П.Попова [34]. Выделяются четыре уровня управления: интеллектуальный, стратегический, тактический и исполнительный.

Интеллектуальный уровень - высший уровень управления в системе. Назначение этого уровня - принятие решений о движении механической системы в условиях неполной информации о внешней среде и объектах работ. Например, рассмотрим ситуацию, когда мобильный робот при движении в трубопроводе получает информацию от системы технического зрения о наличии препятствия. Возможные следующие постановки задачи движения:

• остановить движение и вернуться в исходную позицию;

• определить тип и характеристики препятствия и убрать обнаруженный объект;

- продолжить исполняемое движение, игнорируя наличие внешнего объекта.

Функции интеллектуального уровня в современных мехатронных системах обычно выполняет человек - оператор либо мощный компьютер верхнего уровня управления.

Стратегический уровень управления предназначен для планирования движений мехатронной системы. Планирование движений предполагает разбиение задачи движения, поставленной интеллектуальным уровнем, на последовательность согласованных во времени элементарных действий и формализацию целей управления для каждого из этих действий.

Примерами элементарных действий мобильного робота может служить:

• вывод рабочего органа в заданную позицию;

• захват предмета;

• тестовое движение для определения сил реакции со стороны объекта;

• транспортировка объекта и возвращение робота в исходную позицию. Формализация целей управления означает, что для каждого из элементарных действий должны быть записаны математические соотношения, выполнение которых обеспечивает успешное выполнение действия; Для технологических роботов на стратегическом уровне решается задача геометрического планирования движения рабочего органа.

71

И1 связывает его с верхним уровнем управления и интерфейс И4 - с сенсорами и один выходной канал (интерфейс И2), через которой поступают управляющие команды на исполнительный привод. Соответственно можно выделить три направления интеллектуализации мехатронных модулей движения, которые классифицируются в зависимости от интерфейсных точек интеграции :

I. Развитие интегрированных интерфейсов, связывающих управляющий контроллер с компьютером верхнего уровня в единый аппаратно-

программный управляющий комплекс (интерфейс И1).

П. Создание интеллектуальных силовых модулей управления путем интеграции управляющих контроллеров и силовых преобразователей (интерфейс И2).

Ш. Разработка интеллектуальных сенсоров мехатронных модулей, которые дополнительно к обычным измерительным функциям осуществляют компьютерную обработку и преобразование сигналов по гибким

программам (интерфейс ИЗ). Рассмотрим тенденции и способы технической реализации УКУ в современных мехатронных модулях.

3.5.1. Контроллеры движения

Первое из указанных направлений заключается в создании нового поколения компьютерных устройств, позволяющих пользователю гибко и быстро решать весь комплекс задач управления движением модуля.

Укрупненно можно разделить задачу управления движениями мехатронных систем на две основные части: планирование движения и его исполнение во времени. Задачу планирования движения и автоматизированного формирования программы управления решает компьютер верхнего уровня , который получает целеуказание от человека-оператора. Функцию расчета и выдачи управляющих сигналов непосредственно на исполнительные приводы выполняет контроллер движения. Таким образом, сочетание компьютера и контроллера в архитектуре УКУ является обоснованным с точки зрения разделения решаемых подзадач управления.

Каждому из перечисленных этапов соответствуют определенные уровни в иерархической структуре системы управления, которая рассмотрена в гл.5. В данной же главе рассмотрим варианты архитектуры УКУ, которые применяются в мехатроиике.

Лишь в простейших модулях иногда используются сепаратные контроллеры, которые привлекательны для пользователей своей относительной дешевизной. Функции такого контроллера ограничены задачей управления механическим движением по одной координате (редко по двум), некоторые модификации имеют стандартный интерфейс для

- использование блоков акселерометров для определения линейных

ускорений непосредственно рабочего органа при быстрых транспортных

перемещениях.

Перспективным представляется также сочетание рассмотренных подходов

при выборе обратных связей в сложных мехатронных системах.

Характерной особенностью мехатронных систем для автоматизированного машиностроения является возможность разделения задач программного управления движением на пространственную и временную. Это означает, что траектория перемещения рабочего органа в пространстве и его контурная скорость могут планироваться раздельно с использованием различных критериев оптимизации. Например, для робототехнологического комплекса механообработки (см.п.4.3) программа перемещения и ориентации инструмента в пространстве определяется по графической модели обрабатываемой детали в системе АшоСАГ), либо заданием опорных точек в режиме обучения. Скорость движения рабочего органа робота вдоль траектории должна быть выбрана с учетом специфики рабочего процесса: размеров и твердости материала заготовки, типа инструмента, а также технических возможностей приводов инструментальной головки и манипулятора. Оптимизацию закона движения технологической машины во времени обычно проводят по критериям производительности, точности обработки, а также по экономическим и комбинированным показателям [7,32,44].

5.2. Принципы построения систем интеллектуального управления в мехатроиике

Главная отличительная черта современной теории управления - это развитие интеллектуальных методов управления техническими системами, которая очень отчетливо проявляется в мехатроиике как одной из передовых научно-технических областей. Именно интеллектуальные методы позволяют эффективно решать задачи управления мехатронными системами, специфика которых рассмотрена в 5.1.

Термин "интеллектуальное" управление происходит от латинского слова ш!еШ§епз, что означает "разумный" (в противовес нелогичному "чувственному"), "понимающий", "смышленый". С общими принципами организации интеллектуальных управляющих систем можно ознакомиться, например, по монографии [30], обзорам и статьям в журналах "Техническая кибернетика", "Теория и системы управления" [11, 21, 35]. В данном пособии мы ограничимся рассмотрением систем управления, которые используют при функционировании знания только как средство преодоления неопределенности априорной информации и модели управляемого объекта (такие системы можно классифицировать как

36

69

^[ Внешнее оборудование

Силовые N преобра- ^^

Программа^ ■цддрддддд

^<у^г^эг^ДМИ№

Компьютер верхнего уровня

Целы ^ _1ра=Я

Управляющие] сигналы