Название: Компьютерная автоматизация производства - учеб. пособие (Конюх, В.Л.)

Жанр: Информатика

Просмотров: 923


3.1.  мехатроника

 

Возможность управления перемещением механических элементов с помощью микроэлектронных устройств привела к появлению новой области техники – мехатроники. Термин «мехатроника» впервые был применен в 1971 году японскими разработчиками роботов. Мехатроника объединяет термины «механика» и «электроника», что означает механику, управляемую электроникой. Это могут быть принтеры, физиотерапевтические аппараты, автоматические тележки. К устройствам мехатроники в автоматизированном производстве относятся промышленные роботы, станки с числовым программным управлением, комплектные приводы для точных перемещений механических элементов. Как новая область техники мехатроника находится на стыке микроэлектронного управления, информационных систем и механических систем (рис. 3.1).

 

 

Рис. 3.1. Мехатроника как междисциплинарная область

 

Мехатронная система состоит из механических элементов с приводами перемещений, датчиков, исполнительных устройств и перепрограммируемого устройства управления (рис. 3.2).

Датчики контролируют положение механических элементов объекта управления.  Их  сигналы поступают на  вход устройства управле-

Рис. 3.2. Структура мехатронной системы

 

ния и перерабатываются  по заданному алгоритму в команды управления  исполнительными устройствами (контакторами, электропневмати-ческими клапанами, электрогидрораспределителями). Мехатронная си-стема обеспечивает перемещение механических элементов с погрешностью позиционирования до 10–9 м. Перемещение осуществляют в режиме реального времени согласно требованиям:

– своевременности – выполнению цикла управления без задержки технологического цикла;

– одновременности – согласованию времени перемещения нескольких механических элементов;

– устойчивости к внешним воздействиям – адаптации управления к изменениям внешней среды.

Для выполнения этих требований устройство управления должно учитывать приоритеты задач, решать несколько задач одновременно, прерывать решение задачи на время адаптации к внешнему воздействию. Время реакции на внешние воздействия составляет микросекунды.

Примером мехатронной системы является металлорежущий станок с числовым программным управлением (рис. 3.3).

Суппорт станка установлен на фундаменте. На нем имеются два механических элемента, которые с помощью электроприводов перемещаются по степеням подвижности на величины x, y, z, j. Управление электроприводами ведется от управляющих устройств, стоимость которых достигает 40 \%  от стоимости станка.

 

Рис. 3.3. Металлорежущий станок как мехатронная система

 

Хорошей иллюстрацией идей мехатроники являются промышленные роботы (рис. 3.4), в которых перепрограммируемое устройство управления обеспечивает заданные перемещения звеньев манипуля-тора [4]. Манипулятор представляет собой последовательное соединение звеньев. В местах соединения звеньев установлены приводы перемещений. Они обеспечивают вращательное или поступательное перемещение звеньев друг относительно друга. Начало первого звена установлено на неподвижном основании, а конец последнего звена оснащен рабочим органом. Рабочий орган перемещается в пространстве за счет программируемых перемещений звеньев манипулятора. Окружающая среда воздействует как на выбор программы, так и на характер перемещений звеньев манипулятора. Например, при захвате рабочим органом тяжелого объекта звенья манипулятора перемещаются медленнее, чем без объекта. При изменении вида объекта выбирается другая программа работы робота.

От других механизмов робот отличается двумя свойствами:

· многофункциональной механической конструкцией, обеспечивающей свободное перемещение рабочего органа в пространстве;

· перепрограммируемой системой управления движением рабо-чего органа.

Выделяют  три поколения промышленных роботов:

· программные – датчики отсутствуют, устройство управления действует по жестко заданной программе, которая может быть легко перестроена на другие операции в пределах возможностей данного робота;

· адаптивные – робот с помощью датчиков очувствления воспринимает обстановку и приспосабливается к ней путем выбора  подходящей программы из имеющегося набора;

· интеллектные – робот с помощью развитой системы очувствления распознает обстановку и строит упрощенную модель  среды, которая  корректируется в процессе управления для достижения заданной цели.

Поколения роботов не сменяют друг друга, а развиваются одновременно. Применение робота того или иного поколения в технологическом процессе определяется сложностью и изменчивостью среды функционирования (табл. 3.1).

 

Т а б л и ц а  3.1

Что могут роботы

 

Программные

Адаптивные

Интеллектные

Загружать или раз-гружать технологи-ческое оборудование.

Окрашивать изделия простой формы.

Резать плоские ма-териалы.

Манипулировать рабочим инструментом.

Вести точечную сварку.

Играть на пианино

Собирать детали в изделие.

Контролировать качество из-

готовления.

Вести дуговую  сварку.

Вести  зачистку  и шлифование.

Наносить покрытия на изделия сложной формы.

Сортировать изделия.

Перемещаться по заданной тра-

ектории.

Резать материалы сложной формы.

Переносить хрупкие предметы.

Мыть окна.

Выполнять заказы в кафе

Перемещаться по неизвестной местности.

Отыскивать заданные предметы.

Находить наружные  и внутренние дефекты.

Распознавать препятствия.

Зачерпывать гор-ную массу

Программные роботы могут работать при фиксированном состоянии среды. Адаптивные роботы применяются в тех случаях, когда можно перечислить возможные состояния среды и для каждого состояния задать программу управления. Интеллектные роботы  строят модель сложной  среды путем обучения, поэтому их применение будет оправдано в тех случаях, когда невозможно предусмотреть изменения среды при выполнении технологических операций.

В зависимости от выполняемых задач различают манипуляционные, мобильные, информационные и управляющие роботы.

Манипуляционный робот предназначен для выполнения  механических операций, подобных тем, которые выполняются человеком вручную, но с возможным изменением масштаба, размеров и усилий  (например, взятие и перенос предмета, перемещение по сложным  траекториям, работа с любыми инструментами, схватами, сварочными или  красящими головками и др.). Большинство промышленных роботов – это автоматические  манипуляторы грузоподъемностью  до 10  кг  с  тремя-шестью  степенями подвижности. В них отсутствуют датчики очувствления, позволяющие контролировать состояние робота и внешней среды.

Мобильный робот предназначен для перемещения грузов по  заданной траектории. Различают исследовательские (доставка проб из недоступных мест), аварийно-спасательные (вывоз людей в аварийных ситуациях), специализированные (доставка взрывчатого материала к месту взрыва) и технологические мобильные роботы. Создание технологических роботов для перевозки грузов между единицами автоматизированного оборудования позволило организовать гибкое автоматизированное производство. Транспортный робот или робокар  представляет собой тележку с автономным питанием и бортовой системой управления, движущуюся между станками и автоматизированным складом. В местах остановки робокара манипуляторы загружают или разгружают его платформу. Траектория движения робокара задается механической трассой, излучающим проводником или светоотражающей полосой. Для движения по заданному маршруту используют также автономную навигацию с помощью установленных на борту робокара дальномеров или системы технического зрения.

Информационный робот расширяет возможности органов чувств человека. Он представляет собой самоходную дистанционно управляемую тележку с бортовыми телекамерами, пробоотборниками, измерительными приборами. Недоступные человеку возможности  открываются при установке на робокаре тепловизоров, отображающих распределение телового поля, или интроскопов, способных наблюдать объекты через непрозрачные преграды.

Управляющий робот имитирует умственную деятельность  человека при управлении технологическим оборудованием. Его применение особенно эффективно при ограничении технологических  возможностей оборудования психофизиологическими особенностями  человека, например, плохой способностью воспринимать и анализировать быстрые изменения ситуаций.

Кинематика манипуляторов строится в цилиндрической, сферической, угловой или прямоугольной системах координат (рис. 3.5).

С развитием робототехники появляются принципиально новые компоновки манипуляторов: SCARA , SPINE, FlexPicker и др. [5].

 

                                   а                                                  б

 

 

                      в                                                         г

Рис. 3.5.  Системы  координат  промышленных  роботов:

а – цилиндрическая; б – сферическая; в – угловая; г – прямоугольная

 

Различают три вида управления движением механического элемента между начальной А и конечной В точками (рис. 3.6):

а) цикловое (от начала к концу), при котором не контролируются промежуточные точки траектории движения;

б) позиционное (от точки к точке), при котором контролируется прохождение звена через заданные точки на траектории движения;

в) контурное (непрерывный путь), при котором контролируется прохождение звена через все точки траектории движения.

Перемещение механического звена с помощью микроэлектронного устройства управления характеризуется следующими показателями:

– числом степеней подвижности – числом плоскостей, в которых может перемещаться механический элемент;

– погрешностью позиционирования – максимальным отклонением механического элемента после его перемещения от положения, заданного управляющей программой;

– погрешностью отработки траектории – максимальным отклонением траектории движения механического элемента от траектории, заданной программой управления;

– рабочей зоной – пространством, в котором может находиться движущийся механический элемент;

– зоной обслуживания – частью рабочей зоны, в которой механический элемент выполняет технологические операции.

При управлении механическим элементом различают прямую и обратную задачи кинематики. В прямой задаче задают взаимные перемещения в соединениях звеньев механического элемента, для которых рассчитывают положение, скорость и ускорение рабочего  органа. Цель расчета – определение геометрических характеристик рабочей зоны механического элемента при конструктивных ограничениях на изменения координат звеньев, оценка погрешности позиционирования и отработки траектории при заданных погрешностях перемещений звеньев. В обратной задаче задают положение, скорость и ускорение рабочего органа, а затем рассчитывают перемещения в соединениях звеньев механического элемента.

Обратная задача встречается в мехатронике чаще, поскольку на практике сначала определяют положение рабочего органа, а затем находят взаимные перемещения звеньев для вывода рабочего органа в заданное положение. Сложность прямой и обратной задач кинематики состоит в привязке системы координат каждого соединения звеньев к общей системе координат и расчете динамики движения звеньев с учетом переменных нагрузок, сил инерции и трения. Решение прямой и обратной задач кинематики в режиме реального времени с целью формирования команд управления приводами звеньев часто невозможно из-за большой размерности системы дифференциальных уравнений.

Для перемещения механических звеньев используют пневматические, гидравлические или электрические приводы. При цикловом управлении перемещениями элементов используют пневмопривод, отличающийся простотой и надежностью, высоким быстродействием, точным   позиционированием по механическим упорам в конце движения,  возможностью работы в агрессивных средах, дешевизной. Его недостатки: зависимость скорости перемещения от нагрузки вследствие сжимаемости воздуха, невозможность остановки в промежуточных точках позиционирования, удары звена об упор в конце перемещения, шум при работе.

При позиционном управлении применяют гидропривод дроссельного или объемного управления. Его достоинства: высокое  быстродействие при малой инерционности; стабильность скорости при   изменении нагрузки благодаря несжимаемости рабочей жидкости;   бесступенчатое регулирование скорости; высокий коэффициент усиления  мощности; малая масса  гидродвигателей. Недостатками гидропривода являются сложность расчета, утечки рабочей жидкости в уплотнениях, зависимость скорости от температуры жидкости.

Для контурного управления удобен электропривод, который вытесняет пневмо- и гидропривод. Электропривод имеет малые габариты, хорошую управляемость и высокую точность отработки траектории.

В мехатронике обычно применяют легкоуправляемые электродвигатели постоянного тока, состоящие из ротора и статора. На статоре имеются постоянные магниты или обмотка электромагнитного возбуждения. Обмотка возбуждения на статоре может не соединяться с обмоткой ротора (двигатель независимого возбуждения), соединяться последовательно с обмоткой ротора (двигатель последовательного возбуждения) или соединяться параллельно-последовательно с обмоткой ротора (двигатель смешанного возбуждения).

Электродвигатели переменного тока подразделяются на асинхронные и синхронные. Асинхронные двигатели бывают двух- и трехфазными. Скорость двухфазного двигателя регулируется напряжением в обмотке управления, смещенной на 90 град относительно обмотки возбуждения. Скорость синхронного двигателя зависит от частоты напряжения питания.

Недостаток электродвигателей – высокая скорость, требующая преобразования в медленные перемещения механических звеньев. В ка-честве устройств снижения скорости применяют шестеренчатые, червячные или волновые редукторы. Шестеренчатые и червячные редукторы недостаточно снижают скорость и имеют большие потери мощности. Для устройств мехатроники с электроприводом изобретен  волновой редуктор, состоящий из генератора волн эллиптического сечения и гибкого зубчатого колеса, которые устанавливаются внутри жесткого зубчатого колеса (рис. 3.7).

Гибкое колесо, будучи связанным с генератором  волн,  принимает форму эллипса. Поэтому его зубцы полностью входят во впадины между зубцами жесткого колеса  в двух точках по главной оси эллипса. Оно имеет на несколько зубцов меньше, чем  жесткое колесо. Через каждый  оборот  генератора  гибкое  колесо  поворачивает жесткое колесо на  эти несколько зубцов. Если генератор волн соединить с входным валом, а жесткое колесо – с выходным, то обеспечивается очень высокое передаточное отношение. По степени управляемости различают приводы:

– нерегулируемые, обеспечивающие движение элемента с одной  рабочей скоростью;

– регулируемые, обеспечивающие заданную скорость движения  элемента в изменяющейся среде;

– следящие, обеспечивающие перемещение элемента с заданной  точностью при произвольном задающем сигнале;

– адаптивные, автоматически выбирающие оптимальные   параметры управления при изменении условий работы.

Для уменьшения габаритов электродвигателя его расчетную мощность

                                          (3.1)

 

выбирают с учетом относительной продолжительности включения:

 

                          ,                                           (3.2)

 

где М – крутящий момент; n – частота вращения; K – коэффициент потерь в передачах; tр – время работы; tц = tр + t0 – время цикла; t0 – время отключения.

Шаговые двигатели весьма перспективны в мехатронике. На роторе двигателя закреплен постоянный магнит, взаимодействующий

с большим числом обмоток электромагнитов на статоре. Бесконтактное переключение комбинации обмоток статора приводит  к  повороту  его магнитодвижущей  силы  на  определенный  угол. На  такой  же  угол поворачивается ротор. Положение ротора соответствует комбинации включенных обмоток.