Sterowanie napędów maszyn i robotów

Sterowanie napędów maszyn i robotów

dr inż. Jakub Możaryn Wykład 1

Instytut Automatyki i Robotyki Wydział Mechatroniki

Politechnika Warszawska, 2014

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Prezentacja dystrybuowana jest bezpłatnie

Wprowadzenie do aktuatoryki maszyn i robotów

Aktuatoryka/aktoryka - (ang. actuator - urządzenie uruchamiające, nastawnik)

dziedzina mechatroniki zajmująca się budową i sterowaniem urządzeń wykonawczych, realizujących zadania ruchowe i siłowe eliminując tym samym udział człowieka w sterowaniu.

Aktuator/aktor (urządzenie wykonawcze, element wykonawczy) – w technice, określenie urządzenia mechanicznego, występującego w układach regulacji, które na podstawie sygnału sterującego wypracowuje sygnał wejściowy do obiektu regulacji.

Do urządzeń wykonawczych można zaliczyć m.in.:

 w mechanice – siłowniki pneumatyczne, hydrauliczne, silniki, dźwignie hydrauliczne, wzmacniacze elektrohydrauliczne,

 są to „odpowiedniki”: rąk, dłoni, nóg, palców człowieka.

System mechatroniczny

Współczesne urządzenia wykonawcze

Elementy piezoelektryczne Silniki

indukcyjne

Silniki prądu stałego Siłowniki

Budowa serwomechanizmu napędowego

enkoder silnik

sterownik silnika

do układu napędzanego

(bezpośrednio lub poprzez przekładnię mechaniczną)

Przykładowy układ sterowania:

Otwarty układ sterowania Zamknięty układ sterowania Sterowanie - celowe oddziaływanie na obiekt sterowania, mające doprowadzić do pożądanych zmian w procesach w nim zachodzących. Poziom energetyczny sygnałów sterujących z reguły znacznie niższy niż sygnałów, na które wpływają.

Zadania układów sterowania

■ przeniesienia procedur sterowania na układ pozycyjny zestawiony ze sterownika

procesorowego współpracującego z przetwornikiem (sensorem) położenia i ewent. innymi sensorami

■ pełna automatyzacja działań rozruchu i uruchomienia układu napędowego z założeniem niepełnej lub całkowitej nieznajomości przez operatora parametrów napędu

■ zapewnienie bezpiecznego przejścia od fazy rozruchu i uruchomienia do fazy normalnej pracy układu (zapewnienie determinowanego zachowania napędu)

■ dobór nastaw startowych sterowania – automatycznie, z założeniem nieznajomości zasad parametryzacji sterowania przez operatora (z ewent. wymaganiem niedopuszczenia

operatora do tej czynności)

■ odporność sterowania pozycyjnego na skokowe zmiany warunków pracy:

- zmiany wartości zadanych położeń i zakresów przemieszczeń - zmiany kierunku ruchu napędu

- zmiany położenia układu napędowego - zmiany wartości obciążenia (masowego)

■ kompensacja przez układ sterowania powolnych zmian wartości systemowych:

- temperatury otoczenia

- parametrów zasilania (wartości napięć, ciśnień itp.)

- właściwości ciernych napędu i napędzanego urządzenia (np.. starzenie i zanieczyszczenie smaru)

- zjawisk tribologicznych wywołanych postojem układu napędowego

Generalnie można także powiedzieć, że ogólnym zadaniem układu sterowania jest zwiększenie globalnego zysku przedsiębiorstwa. Wyżej wymienione zadania są tylko

elementami pośrednimi w realizacji tego głównego celu. Dobrze dobrany układ sterowania pozwala osiągnąć:

- wysoką dokładność wykonania towarów, - mniejsza ilość braków,

- bezpieczeństwo przebiegu procesu, co znacząco wpływa zysk.

Zadania układów sterowania, cd.

Sterowanie pozycyjne (pozycjonowanie) – układu napędowego jest celowym oddziaływaniem na przebieg procesu ruchu elementu ruchomego napędu dla zapewnienia żądanych zmian wartości jego położenia (drogi, pozycji, przemieszczenia liniowego lub kątowego) jako głównej wielkości sterowanej napędowego układu pozycyjnego. Rozróżnia się dwa rodzaje pozycjonowania:

przestawianie – przemieszczenie elementu ruchomego do pozycji zadanej, z zapewnieniem określonej jakości realizacji procesu ruchu i utrzymanie zadanej wartości położenia pozycji w czasie z określoną odchyłką ustaloną

nadążanie – przemieszczanie elementu ruchomego w sposób określony zmianami wartości wielkości zadającej, z zapewnieniem określonej jakości realizacji procesu ruchu i określonej odchyłki nadążania

Pomocniczymi wielkościami sterowanymi układu pozycyjnego są: prędkość,

przyśpieszenie, itp., jako kolejne, fazowe, zmienne stanu realizowanego procesu ruchu

Sterowanie siłowe (momentowe) – jest oddziaływaniem siłowym na element napędzanego urządzenia

Gdzie spotykamy się ze sterowaniem siłowym???

Przykłady wykorzystania serwomechanizmów

Operowanie materiałem

Przykłady wykorzystania serwomechanizmów

Montaż

Przykłady wykorzystania serwomechanizmów

Cięcie na wymiar

13

Wymagania stawiane współczesnym napędom - w warunkach statycznych:



dysponowanie siłą lub momentem obrotowym potrzebnym do pokonania sił tarcia oraz obciążeń masowych, siłowych i momentowych



dysponowanie dużym zakresem regulacji prędkości lub obrotów



wykonywanie ruchu z minimalnymi przemieszczeniami (np.: od 0,1 µm do 1 mm)



ruch ze stałą prędkością (v  const), także dla najmniejszych prędkości

(roboczych, technologicznych, pełzania) – (rzędu 1- 5 mm/s), brak drgań,

zwłaszcza ciernych (tarcie przylgowe stick – slip)

14

Wymagania stawiane współczesnym napędom - w warunkach dynamicznych:



duże przyspieszenia (załączanie) i opóźnienia (hamowanie) ruchu – dysponowanie odpowiednio dużymi momentami przyspieszenia i hamowania



dokładność odtworzenia toru ruchu przy zadanych prędkościach

roboczych (od 1 [µm] do 1 [mm]) i prędkościach jałowych (od 1 [mm]

do 10 mm)

Czy moment potrzebny na przyśpieszenie/zwolnienie jest momentem stałym czy chwilowym, który musi wytworzyć maszyna???

15

Dobór napędu: dane o maszynie

Aby właściwe dobrać silnik do napędzanego układu potrzebne są

informacje o kinematyce maszyny:

■ Rodzaj osi:

•

Obrotowa czy liniowa?

•

Pionowa czy pozioma? Kąt nachylenia?

■ Typ kinematyki maszyny:

•

Rodzaj kinematyki (podajnik taśmowy, przekładnia śrubowa, przekładnia zębata, ….)

•

Rodzaj połączenia (ślizgowe, łożyska, rolki …) dla oszacowania tarcia

•

Rodzaj i przełożenie przekładni. (zębata, pasowa, …)

■ Rodzaj obciążenia maszyny:

•

Rozmiar obciążenia

•

Masa obciążenia

16

Należy zdefiniować wszystkie wymagania dotyczące parametrów ruchu:

■ Maksymalna prędkości osi

■ Wymagana siła lub moment obrotowy

■ Parametry optymalnego cyklu pracy:

•

czas cyklu,

•

czas przyśpieszania i hamowania,

•

dystans ruchu (odległość),

•

…

Dobór napędu: dane o maszynie

17

Parametry do zdefiniowania:

■ Maksymalna prędkość silnika: nMAX.

Na podstawie znanej kinematyki i wymagań odnośnie ruchu należy oszacować maksymalną prędkość jaką musi osiągać silnik

■ Wytwarzany moment obrotowy M_t.

Na podstawie znanej kinematyki i wymagań odnośnie wytwarzanej siły należy oszacować potrzebny moment obrotowy

■

Moment tarcia M

f

.

Należy obliczyć lub oszacować moment tarcia występujący w danej osi

Pierwsze podejście w doborze silnika:

●

Prędkość znamionowa: n

_N

> n

_MAX

.

●

Moment znamionowy: M

_N

> M

_t

+ M

_f

.

Dobór napędu: aspekty statyczne

18

Parametry do zdefiniowania:

■ Moment obrotowy przyśpieszenia: MACC = Jω’.

Na podstawie znanej kinematyki i wymagań odnośnie ruchu należy obliczyć moment obrotowy potrzebny do osiągnięcia wymaganego przyśpieszenia

■ Moment tarcia Mf.

Należy obliczyć lub oszacować moment tarcia występujący w danej osi Moment ten jest dodawany do monety przyśpieszenia podczas

przyśpieszania oraz odejmowany podczas hamowania

Pierwsze podejście w doborze silnika:

●

Maksymalny moment obrotowy: M

_MAX

> M

_ACC

+ M

_f

.

Dobór napędu: aspekty dynamiczne

■ Dla silnika dobranego według poprzednich wytycznych

konieczne jest sprawdzenie jego przydatności w cyklu pracy

■ Należy narysować prędkość i moment obrotowy w funkcji czasu dla całego cyklu pracy

Dobór napędu: weryfikacja termiczna

■ Obliczamy średnią prędkość w cyklu pracy.

cycle i i

avg

T

t

n n 

 

2 n

ⁱ

 n

ⁱ

cycle i i

th

T

t

M M 

  ^²

Podczas przyśpieszania i zwalniania:

■ Obliczamy ekwiwalentny moment termiczny

Dobór napędu: weryfikacja termiczna

■ Porównujemy wyniki obliczeń z wykresem momentu obrotowego silnika:

•

Przypadek A : Silnik dobrany prawidłowo do cyklu pracy

•

Przypadek B : Należy wybrać inny silnik z wyższym ciągłym momentem obrotowym

Dobór napędu: weryfikacja termiczna

M [Nm]

n [obr/min]

M_th

n_avg

Obszar pracy przerywanej

Obszar pracy ciągłej M_th

A

B

n_avg

■ Znając dane maszyny oraz jej obciążenia należy obliczyć iloraz momentu

bezwładności obciążenia silnika (zredukowanego do wału silnika) i momentu bezwładności silnika

•

Jeżeli ten stosunek tych wartości jest zbyt duży należy go zmniejszyć poprzez:

 zmienić kinematykę (np. poprzez wykorzystanie dodatkowej przekładni)

 wykorzystać inny silnik z większym momentem bezwładności

 ewentualnie wykorzystać oba sposoby

•

Po dokonanych zmianach należy dobrać silnik ponownie (zmiany kinematyki)

■ Typowe ilorazy inercji obciążenia do inercji silnika:

1:1 to 3:1 – dla aplikacji robotycznych (manipulatory kartezjańskie)

4:1 to 7:1 – dla napędów osi obrabiarek numerycznych 8:1 to 10:1 – dla innych aplikacji

■ W praktyce często przyjmuje się stosunek wartości momentów bezwładności :

5:1 – dla dynamicznych i dokładnych maszyn

10:1 – dla maszyn standardowych

wyższe – jeżeli zależy nam na dokładności pozycjonowania bez ograniczeń dotyczących czasu cyklu

Dobór napędu: moment bezwładności

Dziękuję za uwagę