Датчики

обратной

связи

Обратная связь

Устройство

компьютерного

управления

МЕХАТРОННАЯ СИСТЕМА

Рис. 3.7. Структура системы управления функциональными движениями.

Примечание. В технических описаниях контроллеров величины перемещений обычно имеют размерность [ Имп] ( 81ерз или Соишз), а скорости соответственно [ Имп/с] (З&рз/зес или Сошнз/яес). Данные значения важны тем, что определяют собственные возможности контроллера без учета параметров датчиков обратной связи. Для определения параметров движения в системе единиц СИ следует разделить указанные числа на коэффициенты выбранных датчиков. Положим, что стандартный угловой фотоимпульсный датчик (инкодер) имеет коэффициент 5000 Имп/об, а выбранный резольвер - коэффициент 65000 Имп/об. Тогда при паспортной характеристике контроллера 1 000 000 имп/с получаем максимальные скорости вращения двигателя соответственно 200 об/с при использовании инкодера и 15.38 об/с при установке резольвера.

При создании интеллектуального мехатронного модуля возможны два базовых варианта аппаратной архитектуры УКУ:

• использование компьютера верхнего уровня и контроллера движения как отдельных устройств, соединенных стандартным интерфейсом (в этом случае контроллер является внешним блоком по отношению к компьютеру);

• моноблочная структура, когда контроллер аппаратно устанавливается внутрь компьютера ("встраиваемый контроллер").

Данные аппаратные схемы имеют различные области предпочтительного применения. Архитектуру типа "внешний контроллер" целесообразно использовать в больших мехатронных системах, состоящих из нескольких многокоординатных управляемых машин (станков, роботов, вспомогательного оборудования). В таких сиртемах компьютер выполняет

вычислений и компьютерной алгебры [10]), а также способы линеаризации исходных нелинейных систем.

Эффективный способ, позволяющий "естественным" образом получить линейные уравнения, заключается в переходе от управления положением рабочего органа к управлению по скорости его движения.

Действительно, дифференцируя векторное уравнение (5.2) по времени, получаем линейное соотношение между декартовыми и обобщенными скоростями движения механизма:

х=ту (5.6)

где Х—СЩХ_р,у_р,2._р,(1_х,Ьу,(1₂) . вектор (6x1) скорости рабочего органа

в декартовой системе координат, Ц = С01(С11,С1₂,...,С1_п) - вектор (пх1)

обобщенных скоростей механизма, «Дй) - матрица Якоби размерности

(бхп).

Система уравнений (5.6) - это система линейных уравнений с переменными

коэффициентами. Ее решение относительно обобщенных скоростей в

общем случае имеет форму

4 = Г¹(Ц)-Х (5.7)

где Ц~ ((]) - обратная матрица Якоби размерности (пхб).

Так, для двухзвенного манипулятора (см.(5.4)) прямая и обратная матрицы

Якоби имеют соответственно вид

-(1₂+Я₂)эпя₁ созс/х"

(1₂+Я₂)С08Я₁ 5ШС/!

(5.8)

Лф =

1-1

зпд₁ созд₁

Г¹(ф =

(5.9) .

1₂+Я₂ созд₁

'2+92

апд₁

4. Система уравнений (5.2) может быть несовместна вследствие наличия ограничений на обобщенные координаты и соответственно на размеры рабочей зоны и углы сервиса механизма.

5. Важно обратить внимание на переменность коэффициентов и членов уравнений в рассмотренных кинематических задачах. Так, элементы прямой и обратной матриц Якоби (5.6 - 5.9) зависят от обобщенных координат (т.е. от текущей конфигурации) и конструктивных параметров механизма. Если траектории движения рабочего органа заранее известны, то данные зависимости могут быть априори введены в управляющие

38

67

платформы устройства управления движением. Это позволяет сочетать функции планирования и управления функциональными движениями мехатронными модулями и системами, сбора и обработки информационно-измерительных данных в аппаратно и программно едином устройстве. Важным с точки зрения пользователя достоинством такого подхода является интеграция стандартных операционных систем и программных средств (АшоСАО, Ехсе1, >Ушао\У8 N1/95/5.1, С++ и т.п.) с системами программирования движений. Объединение управляющих компьютеров в сеть дает возможность создавать распределенные управляющие комплексы для задач автоматизации производственных ячеек, цехов и предприятий. При этом модульная архитектура на базе РС промышленного исполнения гарантирует эффективную защиту аппаратной части от тепловых, вибрационных и других воздействий производственной среды.

Технически встраиваемые контроллеры движения выпускаются в виде специальных плат (рш^-щ сага), устанавливаемых в дополнительный слот РС . Обмен данными между контроллером и РС осуществляется через стандартную шину (обычно 32-битная) адреса и данных. Примерами типичных шин могут служить стандарты 18А, 8ТТ>, УМЕ и ШМ-РС Вш. На плате контроллера также имеются необходимые разъемы для подключения силового преобразователя привода, датчиков обратной связи (аналоговых и цифровых), внешних устройств с дискретным входом/выходом. Примером серийно выпускаемого в настоящее время встроенного контроллера движения является модель РС1-Р1ехМойоп-6С фирмы Каиопа1 Ьвпшпептв (ГОА) [54]. Устройство позволяет одновременно управлять движением мехатронной системы по шести координатам с обратной связью и дополнительно по двум осям в шаговом режиме. В состав контроллера входят мощный многозадачный процессор Могаго1а геаМше 32-Ъп, цифровой сигнальный процессор (ОЗР-ргосеззог) фирмы Апаюе Бетое, многоканальные аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи, интерфейсы для внутренних и внешних коммуникаций.

Контроллер позволяет реализовывать следующие виды управляемых движений:

• позиционное управление;

• перемещение по пространственным (ЗР) траекториям с линейной интерполяцией;

• контурные движения с круговой и сплайновой интерполяцией;

• копирующие движения.

Рис. 5.1 Координаты рабочего органа

Рис. 5.2 Обобщенные координаты манипулятораРЦМА-560^У* Р

*■ х

•

Рис. 5.3 Координаты двузвенного манипулятора

40

Основные технические характеристики контроллера движения: период расчета управляющего сигнала (по одной оси) 62.5 мкс, диапазоны управления:

по скорости 0*16 Мега имп/с,

по перемещению 0 -г 2 147 483 647 имп,

по ускорению 0 -5-134 217 728 имп/с², максимальные ошибки управления:

позиционная ошибка ± 1 имп (для инкодера в обратной связи), 0.0049 В (для аналоговой обратной связи),

скоростная ошибка 0.02%, дискретные входы/выходы 24 бит, 22 линии, аналого-цифровое преобразование 8 линий, 12 бит, 10 мкс, ± 10В, цифро-аналоговое преобразование 16 бит, ± 10 В, выход широтно-импульсного модулятора 0.5 •*- 32 Кгц.

3.5.2. Интеллектуальные силовые модули

Вернемся к анализу возможных способов интеллектуализации мехатронных модулей и рассмотрим подход, направленный на интеграцию контроллеров движения и силовых преобразователей привода (интерфейс И2 на рис.2.4). Такое решение целесообразно для многомерных мехатронных систем, компоненты которых расположены на значительном удалении друг от друга. В этих случаях комплексировать систему управления на базе одного персонального компьютера очень сложно, а иногда и технически невозможно из-за проблем передачи сигналов и данных на большие расстояния. Так, стандартный протокол К.8-232 позволяет передавать данные на расстояния не более, чем 9.15 м.

Блок управления каждым модулем в таких системах встраивается в корпус преобразователя или даже в кпеммную коробку электродвигателя [24, 43]. Такие модули получили название интеллектуальных силовых модулей - ИСМ.

Примером такого решения является новая система управления промышленных роботов ПР 125/150, выпускаемых АО АВТОВАЗ [38]. Силовая и слаботочная электронные части системы установлены в общем шкафу управления. Система управления имеет два управляющих модуля -модуль привода РМ6-600 и устройство компьютерного управления на базе процессора Решит. Данный вариант удобен для обслуживания и эксплуатации, экономичен по занимаемой площади, обеспечивает свободный доступ ко всем коммуникациям системы.

Интеллектуальные силовые модули строятся на базе полупроводниковых приборов нового поколения [14, 43]. Типичными

возмущающее воздействие. Следовательно, в общем случае объектом управления в мехатронике является сложная многосвязная система, в состав которой входят:

• комплекс исполнительных приводов,

• механическое устройство с рабочим органом,

• блок сенсоров,

• объект работ, с которым взаимодействует рабочий орган.

При этом отдельные блоки и устройства могут быть интегрированы в мехатронные модули (гл.2 и 3). Включение в рассмотрение процесса взаимодействия рабочего органа и внешних объектов (например, для операций сборки, механообработки, водоструйной резки) позволяет организовать технологически ориентированный процесс управления, учитывающий характер и специфику данного взаимодействия в конкретно поставленной задаче.

Указанная структура объекта управления определяет требования и

постановку задачи управления мехатронными системами

рассматриваемого класса. Очевидно, что воспроизведение заданных

движений мехатронными модулями основывается на выполнении

классических требований теории управления: устойчивости, точности и

качества процесса управления [15]. Однако дополнительно необходимо

учитывать следующие специфические особенности мехатронных систем:

I. Движение рабочего органа как конечного управляемого звена

обеспечивается взаимосвязанными (кинематически и динамически)

перемещениями нескольких исполнительных приводов и звеньев

механического устройства.

П. Задача управления мехатронной системой должна быть решена в

пространстве (т.е. найдены оптимизированные траектории движения

всех звеньев, включая рабочий орган) и во времени (т.е. определены и

реализованы желаемые скорости, ускорения и развиваемые усилия для

всех приводов системы).

Ш. Для многих технологических задач параметры внешних и

возмущающих воздействий, приложенных к рабочему органу и

отдельным мехатронным модулям, заранее не определены.

IV. Сложность построения адекватных математических моделей

мехатронных систем традиционными аналитическими методами

(особенно прецизионных многосвязных систем, включающих

динамическую модель технологического процесса).

Структурно мехатронные системы являются многомерными и

многосвязными системами. Размерность задачи управления в мехатронике

определяется числом независимо управляемых приводов системы. В

случае общего механизма исходно задается желаемое движение рабочего

органа, а реализуется оно совокупными перемещениями всех звеньев.

42

63

показанных на рис.3.5 и 3.6); положение и ориентация рабочего органа в пространстве (например, схвата промышленного робота или щупа контрольно-измерительной машины).

В целом проблема проектирования и технологии производства интеллектуальных сенсоров (ИС) является самостоятельной научно-технической областью и выходит за рамки рассматриваемого круга вопросов. Для мехатроники представляют интерес способы интеграции ИС в мехатронные модули движения и методы минимизации промежуточных преобразований измеряемой физической величины в цифровой код, пригодный для ввода в устройство компьютерного управления.

С точки зрения минимизации промежуточных преобразований одним из наиболее эффективных (и потому очень широко применяемых в мехатронике) интеллектуальных датчиков обратной связи являются оптические инкодеры со встроенными микропроцессорами. Среди отличительных преимуществ современных инкодеров следует выделить: возможность определения как перемещения, так и скорости движения; высокую точность и низкие шумы при измерении; многооборотность; конструктивную компактность и возможность встраивания в мехатронный модуль. Важно подчеркнуть, что инкодеры выдают выходной сигнал в кодовой форме, что удобно для компьютерной обработки в реальном (времени.

Различают два основных вида инкодеров - абсолютные и инкрементальные. Абсолютные инкодеры дают информацию о величине перемещения (линейного или углового) движущегося вала относительно фиксированного нулевого положения.

Преимуществами абсолютного инкодера являются надежность измерения (даже при временном отключении питания информация датчиком не будет потеряна), высокая точность при больших скоростях движения, запоминание нулевого положения (это важно при необходимости управления реверсивными и аварийными движениями машин). Инкрементальный датчик дает информацию о направлении и величине перемещения в приращениях относительно исходного положения, что вполне достаточно во многих практических приложениях.

Интеллектуализация инкодеров обеспечивается встроенными микропроцессорами, которые выполняют следующие основные функции: кодирование информации датчика, обнаружение ошибок измерения, масштабирование сигнала и передача текущего кода в контроллер движения по стандартному протоколу. Современная тенденция в создании инкодеров заключается в объединении в едином сенсорном модуле конструктивных элементов (валов, подшипников), кодировочных дисков, фотоэлементов и микропроцессора.

Таблица 3

Мировой рынок ЛТС имеет тенденцию к расширению и по прогнозам [24] его емкость к 2000 году составит 20 млн. единиц или в стоимостном выражении 10 млрд. долларов.

44

61

фирмой разработаны многокомпонентные сенсоры, например, акселерометр модели М)ХЬ202. Этот сенсор применяется в мобильных роботах фирмы "ТАРИС" (см. гл. 4) для определения углов крена и дифферента при выполнении работ в наклонных подземных трубопроводах. Функциональная схема этого сенсора приведена на рис.3.9.

*

_а

_*1

-чЛЛМ-

_н

_ч^

Рис. 3.9. Блок-схема двухкомпонентного акселерометра: 1 - генератор колебаний; 2 - демодуляторы; 3 - широтно-импульсные модуляторы;

5. - измеритель ускорения по оси X;

6. - измеритель ускорения по оси У;

7. - микропроцесор.

Датчик дает информацию о значениях ускорений при пространственном движении объекта управления по двум осям (X и У) в диапазоне ± 2% [62]. Полоса пропускания датчика устанавливается пользователем в интервале от 0.01 Гц до 5 Кгц в зависимости от решаемой задачи. Погрешность измерения составляет 5 пщ для полосы 60 Гц. Выходной сигнал формируется широтно-импульсным модулятором (ШИМ), поэтому его цифровой код определяется микропроцессорным счетчиком без предварительного аналого-цифрового преобразования. Период выходного сигнала регулируется в диапазоне от 0.5 мс до 10 мс. Гарантируется нормальная работа сенсора при температурах от 0°С до +70 °С в обычном исполнении или от -40°С до +85°С в специальном варианте.

Другим примером реализации гибридных технологий, ориентированным на массового потребителя, может служить

Примером отечественной технологической машины-гексапода является прецизионное оборудование, предлагаемое АО"ЛАПИК" (г.Саратов) [36]. Фирма выпускает на единой конструктивной базе гексаподы двух типов: координатно-измерительные машины (КИМ) и технологические модули (ТМ) для механообработки (рис.4.8).

Технологические модули предназначены для фасонной обработки с высокой точностью изделий методами фрезерования, шлифования, сверления, полирования, а также для выполнения операций гравировки, растачивания, разметки. Рабочая зона гексаподов-ТМ варьируется у различных моделей в диапазонах: по оси X - от 500мм до 3000 мм; по оси У - от 400 мм до 1400 мм, по оси 2 - от 350 мм до 750 мм. Максимальный угол поворота подвижной платформы относительно каждой из осей составляет в серийных моделях 30 град, скорость ее движения управляется программно в интервале 0.01-120 мм/с.

Гексаподы имеют весьма эффективные массогабаритные показатели по сравнению со станками традиционной компоновки. Так, ТМ-500 при габаритах 1800x1550x2300 мм имеет массу 2800 кг, а наиболее мощный ТМ-3000 имеет габариты 5000x3500x3800 мм при массе 6500 кг. На ТМ устанавливаются мехатронные модули типа "мотор-шпиндель" мощностью от 1.5 кВт до 5 кВт с регулируемой частотой вращения в диапазонах 200-12000 об/мин, либо 600-24000 об/мин.

Рио.4.в.Общий вид технологической иашины-геюапода

КИМ выполняют автоматические измерения и контроль размеров деталей (в том числе легкодеформируемых изделий) от конструкторских или технологических баз. Погрешности измерений для КИМ-500 (машина базового исполнения) не превышают 0.8 мм ( линейные измерения, размер Ь=300мм) и 1.5 мм для пространственных измерений (Ь=250 мм). В

46

59