prof. dr hab. inĪ. Andrzej Milecki Politechnika PoznaĔska
mgr Marcin Chciuk, mgr inĪ. Paweá Bachman Uniwersytet Zielonogórski
WYKORZYSTANIE LASEROWEGO CZUJNIKA ODLEGàOĝCI
DO ESTYMACJI SIàY W UKàADZIE STEROWANIA NAPĉDEM
ELEKTROHYDRAULICZNYM DĩOJSTIKIEM DOTYKOWYM
Celem artykuáu jest opisanie bezpoĞredniego ukáadu sterowania serwonapĊdem elektrohy-draulicznym z zastosowaniem dĪojstika dotykowego z hamulcem magnetoreologicznym i siáo-wym sprzĊĪeniem zwrotnym. Na początku artykuáu znajduje siĊ opis ukáadu sterowania opar-tego na laserowym czujniku poáoĪenia Balluff BOD 6K-RA01-C-02, który sáuĪy do symulacji siáy obciąĪenia siáownika. W koĔcowej czĊĞci artykuáu pokazane są wyniki badaĔ symulacji Ğciskania sprĊĪyny oraz procesu áamania.
THE USAGE OF LASER DISTANCE SENSOR FOR FORCE
ESTIMATION IN CONTROL OF ELCTROHYDRAULIC DRIVE
BY HAPTIC JOYSTICK
The article is aimed to testing of haptic joystick with force feedback and magnetorheological fluid brake used in direct, human control of electrohydraulic servodrive. The paper starts with the description of the control system based on laser distance sensor Balluff BOD 6K-RA01-C-02 which is using for piston’s working load simulation. Finally, a research results for spring compression and breaking simulation are presented.
1. WSTĉP
W napĊdach sterowanych za poĞrednictwem dĪojstików z siáowym sprzĊĪeniem zwrotnym, w których wykorzystywana jest tzw. technologia haptic, jako elementy mierzące siáĊ oddzia-áywania urządzenia na przeszkodĊ uĪywane są czujniki siáy. Są to zwykle elementy drogie i do tego wraĪliwe na uszkodzenia w przypadku, gdy siáy przekroczą dopuszczalne wartoĞci krytyczne. Dodatkowo wystĊpuje problem związany z ich zamontowaniem na elemencie wy-konawczym. W przypadku, gdy sterowane urządzenie umieszczone jest w znanym Ğrodowi-sku zewnĊtrznym, w którym wykonuje np. przesuwanie znanej masy albo zginanie znanego elementu, czujnik siáy moĪna zastąpiü np. czujnikiem poáoĪenia, który dostarczy informacji o odlegáoĞci elementu wykonawczego od elementu, na którym bĊdzie wykonywana operacja technologiczna. Sygnaá siáy moĪna wtedy wygenerowaü na podstawie wartoĞci staáej zapisa-nej w sterowniku. W niniejszym artykule opisano sterowanie napĊdem elektrohydraulicznym za poĞrednictwem jednoosiowego dĪojstika dotykowego [2, 3, 4, 6, 7, 8]. Jako element wy-woáujący siáĊ oporu ruchu ramienia wykorzystano hamulec magnetoreologiczny (MR) [1, 5]. Na elemencie wykonawczym napĊdu (táoczysku) zamontowano laserowy czujnik odlegáoĞci, którego sygnaá wyjĞciowy wykorzystano do sterowania hamulcem MR dĪojstika.
2. OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO I CZUJNIKA ODLEGàOĝCI
W badaniach zastosowano napĊd elektrohydrauliczny skáadający siĊ z dwustopniowego za-woru proporcjonalnego typu KHDG5V firmy Vickers poáączonego z siáownikiem o Ğrednicy táoka 90 mm i skoku 400 mm. Na wejĞcie karty podawany byá pochodzący z jednoosiowego dĪojstika sygnaá poáoĪenia jego ramienia o zakresie 0–5 V. W samym dĪojstiku zastosowano obrotowy hamulec z cieczą magneto reologiczną. ObciąĪenie siáownika stanowiá liniowy ha-mulec magnetoreologiczny (MR), którego siáa oporu mogáa byü zmieniana poprzez zmianĊ napiĊcia elektrycznego. Pozwalaáo to na symulowanie obciąĪenia np. typu sprĊĪyna, przesu-wana masa albo zginanie plastyczne. PomiĊdzy táokiem siáownika a hamulcem liniowym za-montowano czujnik siáy, który sáuĪyá do wstĊpnych pomiarów siá generowanych przez hamu-lec liniowy. Przebiegi te zarejestrowano i zapisano w pamiĊci sterownika. Dla celów pomia-rowych zamontowano równieĪ transformatorowy czujnik do pomiaru poáoĪenia táoczyska oraz przeáącznik kraĔcowy zaáączany w momencie kontaktu táoczyska z obciąĪeniem, tutaj hamulcem liniowym MR. Na rys. 1 pokazano widok omówionych wyĪej elementów, zamon-towanych na stanowisku pomiarowym.
Laserowy czujnik odlegáoĞci ObciąĪenie-hamulec MR NapĊd hydrauliczny Czujnik siáy KraĔcówka
Rys. 1. Widok stanowiska badawczego
Do pomiarów odlegáoĞci táoczyska badanego serwonapĊdu od obciąĪenia czyli hamulca MR zastosowano czujnik laserowy firmy Balluff typu BOD 6K-RA01-C-02 (rys. 2a) o zakre-sie pracy do 100 mm i analogowym napiĊciu wyjĞciowym 0–10 V. W związku z tym, Īe w początkowej czĊĞci charakterystyki (rys. 2b) czujnik wykazuje duĪą nieliniowoĞü przyjĊto, Īe gáówny zakres pracy bĊdzie wynosiá od 40 do 80 mm. Czujnik zostaá tak umieszczony, aby punkt zderzenia táoczyska siáownika z przeszkodą znalazá siĊ w odlegáoĞci 40 mm.
OdlegáoĞü [mm] Nap iĊ ci e [ V ] Zakres pracy
Rys. 2. Widok (a) i charakterystyka laserowego czujnika Balluff BOD 6K-RA01-C-02 (b) [9]
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 5 10 15 20 25 30 35 40 L [mm] Fd [N]
Rys. 3. Charakterystyka siáy oporu dĪojstika Fd w zaleĪnoĞci od generowanego przez czujnik laserowy sygnaáu
odlegáoĞci od przeszkody L
Sygnaá pochodzący z czujnika laserowego byá przekazywany za poĞrednictwem karty wejĞü analogowych do sterownika komputerowego, który na jego podstawie generowaá sy-gnaá sterujący cewką hamulca obrotowego MR zamontowanego w osi dĪojstika. Charaktery-stykĊ siáy generowanej na dĪojstiku Fd w zaleĪnoĞci od sygnaáu odlegáoĞci od przeszkody L,
generowanego przez czujnik laserowy pokazano na rys. 3.
3. BADANIA DOĝWIADCZALNE
Gáównym zagadnieniem, jakie chciano rozpoznaü podczas badaĔ byáo to, czy zastosowanie czujnika laserowego umoĪliwi przekazanie operatorowi podobnych odczuü, jak przy zasto-sowaniu czujnika siáy. Badania ograniczono do procedury Ğciskania sprĊĪyny. Podczas po-miarów nie montowano na stanowisku hydraulicznym rzeczywistej sprĊĪyny ze wzglĊdów bezpieczeĔstwa (mogáaby ona pĊknąü lub wyrwaü siĊ). ZastĊpowano ją liniowym hamulcem MR. Ukáad sterowania wykonany w programie Simulink pokazany jest na rys. 4. W pierw-szym etapie badaĔ symulowano obciąĪenie liniowe, którego wartoĞü moĪna opisaü zaleĪno-Ğcią
Fsym=ky (1)
gdzie: Fsym – symulowana na podstawie poáoĪenia siáa oporu ruchu táoczyska, k –
PoáoĪenie siáownika To Workspace9 sym_sily To Workspace6 time To Workspace3 napzawor To Workspace2 poldzoj To Workspace1 polsilo Gain6 -.8 Gain5 50 Gain4 10 Gain3 2 Gain10 5 Gain1 1 Constant2 5.3 Clock Analog Output 2 Advantech PCI-1716 [auto] Analog Output Analog Output 1 Advantech PCI-1716 [auto] Analog Output Analog Input 5 Advantech PCI-1716 [auto] Analog Input Analog Input 3 Advantech PCI-1716 [auto] Analog Input Analog Input 2 Advantech PCI-1716 [auto] Analog Input PoáoĪenie dĪojstika Sygnaá z czujnika odlegáoĞci NapiĊcie hamulca MR dĪojstika NapiĊcie zaworu proporcjonalnego
Rys. 4. Ukáad sterowania wykonany w programie Simulink
Na rysunku 5 przedsta-wione są przebiegi poáoĪenia kątowego ramienia dĪojstika yd
i przesuniĊcia táoka siáownika ys oraz symulowana siáa
gene-rowana na podstawie wskazaĔ czujnika odlegáoĞci Fsym i siáa
na dĪojstiku Fd. Pokazane są
przebiegi dla wysuniĊcia dĪoj-stika i ruchu powrotnego.
Na rys. 6 przedstawione są przebiegi napiĊcia Ud
poda-wanego na hamulec MR dĪoj-stika dla róĪnych wartoĞci twardoĞci sprĊĪyny. Widaü na nim, Īe im wiĊkszy jest wspóá-czynnik twardoĞci, tym wiĊk-szy jest kąt nachylenia wykresu do osi czasu i napiĊcie szybciej osiąga wartoĞü maksymalną. 0 50 100 150 200 250 0 1 2 3 4 5 6 7 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 0 1 2 3 4 5 6 7 t [s] yd ys [mm] Fd yd ys Fd[N] Fsym [kN] Fsym t [s]
Rys. 5. Przebiegi poáoĪenia dĪojstika i siáownika oraz siáy symulowanej i siáy na dĪojstiku
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 2 4 6 8 10 t [s] Ud[V] k=1 k=2 k=5
Rys. 6. NapiĊcie wychodzące na dĪojstik dla róĪnych sztywnoĞci symulowanej sprĊĪyny
NastĊpnym etapem byáo zasymulowanie procesu áamania. W tym celu uĪyto wyáącznik kraĔcowy (rys. 1), który w pewnym momencie odáączaá sygnaá z czujnika poáoĪenia sprawia-jąc, Īe wartoĞü symulowanej siáy gwaátownie spadaáa. Podczas spadku siáy zauwaĪono, Īe na siáowniku powstaáy oscylacje widoczne na rys. 7b.
0 1 2 3 4 5 6 7 2,58 2,63 2,68 2,73 0 50 100 150 200 250 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 t[s] yd ys Fsym Fd a) b) Fsym [kN] Fd[N] ydys [mm]
Rys. 7. Wykresy pokazujące symulacjĊ áamania
Ostatnim etapem wykonywanych prac byáo zasymulowanie sprĊĪyny nieliniowej, którą moĪna opisaü zaleĪnoĞcią
Fsym=k(y)2 (2)
Porównanie przebiegów napiĊcia wyjĞciowego podawanego na hamulec MR dĪojstika dla symulacji sprĊĪyny liniowej i nieliniowej pokazane jest na rys. 8.
0 1 2 3 4 5 6 7 0 0,5 1 1,5 2 2,5 t [s] Ud[V] U d=ky Ud=k(y)2
Rys. 8. Porównanie przebiegów napiĊcia wyjĞciowego na hamulec MR dĪojstika dla symulacji sprĊĪyny liniowej i nieliniowej
4. WNIOSKI
Pokazane w artykule wyniki pomiarów pokazują, Īe moĪliwe jest zastosowanie czujnika lase-rowego do symulowania siá, które przekazywane są operatorowi za poĞrednictwem dĪojstika typu haptic. DziĊki temu moĪna teĪ przekazywaü informacjĊ o zmianach siáy obciąĪenia na-pĊdu elektrohydraulicznego. Potwierdza to teĪ opinia operatora, który przy pomocy zmysáu dotyku równieĪ odczuwaá te zmiany. Zmysá odczuwania siáy oporu u czáowieka nie jest jed-nak na tyle czuáy na zmiany, Īeby byáo moĪliwe odróĪnienie np. obciąĪenia liniowego od nieliniowego. NastĊpnym etapem badaĔ bĊdzie zastosowanie w regulatorze zaleĪnoĞci opisa-nych prawem Webera-Fechnera, które tworzy relacjĊ miĊdzy fizyczną miarą bodĨca a reakcją ukáadu biologicznego. Prawo to ujawnia zmiany wpáywu na ludzką wraĪliwoĞü bodĨca w miarĊ przyrostu jego intensywnoĞci. Przewiduje siĊ, Īe pozwoli to na zwiĊkszenie czuáoĞci systemu i poszerzenie zakresu odczuü operatora.
Praca naukowa finansowana ze rodków na nauk w latach 2010-2012 jako projekt badawczy pt. "Zastosowanie metod sztucznej inteligencji do nadzorowania pracy urz dze mechatronicznych z nap dami elektrohydraulicznymi sterowanymi bezprzewodowo"
LITERATURA
1. Paweá Bachman, Zastosowanie cieczy MR w dĪojstikach typu "haptic", Ciecze elek-tro- i magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w technice, PoznaĔ, 2010.
2. Andrzej Milecki, Paweá Bachman, Konstrukcja i badania urządzeĔ zadających i doty-kowych z cieczami magnetoreologicznymi i z siáowym sprzĊĪeniem zwrotnym – pod-sumowanie projektu badawczego, Wspóáczesne problemy techniki, zarządzania i edu-kacji, Zielona Góra, 2008.
3. Andrzej Milecki, Paweá Bachman, Marcin Chciuk, Wykrywanie kolizji w teleoperato-rze z interfejsem dotykowym i systemem wizyjnym, Pomiary, Automatyka, Robotyka, nr 2, 2010.
4. Piotr Gawáowicz, Marcin Chciuk, Paweá Bachman, Algorytmy sterowania napĊdem elektrohydraulicznym przy pomocy wahadáowego dĪojstika dotykowego z cieczą MR
w ukáadzie z siáowym sprzĊĪeniem zwrotnym, Pomiary, Automatyka, Robotyka, nr 2, 2009.
5. Paweá Bachman, Andrzej Milecki, MR haptic joystick in control of virtual servo drive, Journal of Physics: Conference Series, Vol. 149, 2009.
6. Piotr Gawáowicz, Marcin Chciuk, Paweá Bachman, Robot sterowany trzyosiowym dĪojstikiem dotykowym z cieczą magnetoreologiczną, Pomiary, Automatyka, Roboty-ka, nr 2, 2009.
7. Paweá Bachman, Siáowe sprzĊĪenie zwrotne w hydraulice, Hydraulika i Pneumatyka, nr 2, 2009.
8. Paweá Bachman, Sterowanie napĊdem elektrycznym za pomocą dĪojstika dotykowego z cieczą magneto reologiczną, Zeszyty Naukowe Politechniki PoznaĔskiej, nr 8, Po-znaĔ, 2008.
9. Dokumentacja czujnika poáoĪenia Balluff BOD 6K-RA01-C-02 dostĊpna pod adre-sem: www.balluff.com/Balluff/Documents/manuals/821913_DE_EN_FR.pdf.
