Badania doêwiadczalne pozycjonowania manipulatora nap dzanego hydraulikà wodnà

Transkrypt

1 Badania doêwiadczalne pozycjonowania manipulatora nap dzanego hydraulikà wodnà ARTUR GAWLIK ANDRZEJ SOBCZYK Rys. 1. Wzgl dna masa w aêciwa ρ(p)/ρ (dla ciênienia odniesienia ~0,1 MPa) w funkcji ciênienia p dzie wp ywajàc np. na zmian cz stotliwoêci w asnej uk adu, oraz teoretycznie poprawia dok adnoêç pozycjonowania. W aêciwoêç t lepiej ilustruje rys. 2 [1], na którym przedstawiono wprost przebiegi izotermicznego Mgr in. Artur Gawlik i dr in. Andrzej Sobczyk sà pracownikami Instytutu Konstrukcji Maszyn Politechniki Krakowskiej. Woda jako czynnik roboczy znajduje zastosowanie w coraz to nowych bran ach przemys owych. Jest to rezultat zarówno wzrastajàcych wymagaƒ ekologicznych, jak i innych przyczyn, g ównie sanitarnych, wynikajàcych ze specyfiki zastosowaƒ takich uk adów. Wodna hydraulika si owa wydaje si naturalnà alternatywà dla uk adów bazujàcych na czynniku roboczym, takim jak powietrze czy olej. G ównie chodzi tu o zastosowania w urzàdzeniach stacjonarnych (o mocy rz du kilkunastu kilowatów), a ostatnio coraz cz Êciej równie w maszynach mobilnych. W Êrodowiskach zwiàzanych z przemys em panuje przekonanie, e wodne instalacje hydrauliczne mogà byç k opotliwe w zastosowaniu do nap du i automatycznego sterowania. Jednym z argumentów jest to, e zmiana medium z oleju mineralnego na wod wyklucza stosowanie w instalacjach nawet zmodyfikowanych komponentów hydrauliki olejowej. Tak e specyficzne w aêciwoêci wody sprawiajà, e tego typu systemy nap dowe i sterujàce ró nià si od najcz Êciej konfrontowanych z nimi systemów hydrauliki olejowej. To wszystko wymaga badaƒ uk adów hydraulicznych zasilanych wodà wodociàgowà i poszukiwania optymalnego sterowania. Ju porównanie wzgl dnej zmiany masy w aêciwej wody i oleju hydraulicznego wskazuje na mniejszà podatnoêç wody na zmian obj toêci pod wp ywem ciênienia (rys. 1) [1]. Ma to swoje odzwierciedlenie w wi kszej sztywnoêci wodnego czynnika roboczego w uk awspó czynnika ÊciÊliwoÊci κ T dla wody, wykazujàcy pewnà anomali, korzystnà ze wzgl du na przeci tne temperatury pracy uk adu, tj. oko o 50 C. Te wybrane w aêciwoêci wskazujà, e instalacje z wodà jako czynnikiem roboczym b dà bardziej przydatne do precyzyjnego pozycjonowania elementów wykonawczych ni uk ady z olejowym medium. Rys. 2. Izotermiczny wspó czynnik ÊciÊliwoÊci κ T dla wody w funkcji temperatury, dla ró nych wartoêci ciênienia Odr bnym zagadnieniem na tym etapie rozwoju hydrauliki wodnej jest trudnoêç w budowaniu bardziej zaawansowanych uk adów sterowania ze wzgl du na wcià ograniczony asortyment elementów Êrednio- i wysokociênieniowej hydrauliki wodnej. Stàd te funkcje, które w uk adach hydrauliki olejowej realizowane sà przy u yciu zaawansowanych elementów, takich jak rozdzielacze proporcjonalne lub serwozawory, w uk adach wodnych muszà byç realizowane cz sto przez zespó prostszych komponentów wymagajàcych jednak bardziej z o onego uk adu sterowania. Na rys. 3 przedstawiono schemat uk adu hydraulicznego stanowiska badawczego. Do jego budowy wykorzystano g ównie elementy wodnej hydrauliki si owej z programu Nessie firmy Danfoss. W stanowisku wykorzystano typowy zasilacz hydrauliczny (power pack), w sk ad którego wchodzà elementy oznaczone na schemacie od 1 do 4 wraz z 60-litrowym zbiornikiem wody. Elementy hydraulicznego uk adu zasilania mogà pracowaç w zakresie ciênienia do 14 MPa. Nie majàc mo liwoêci wp ywania na charakter otwarcia rozdzielacza 4/3-drogowego, skupiono si na sygnale sterujàcym proporcjonalnym regulatorem przep ywu. Jest to jak na razie jedyny bardziej zaawansowany element hydrauliki wodnej z programu produkcyjnego Nessie. Zawór jest sterowany napi ciem 0 10 V, ale dopiero od napi cia oko o 5 V nast puje zauwa alny 9

2 Rys. 3. Schemat uk adu hydraulicznego stanowiska badawczego: 1 wielot oczkowa osiowa pompa PAH 12.5, 2 rozdzielacz wraz z zaworem przelewowym VPH 15 E, 3 filtr powrotny wraz z zaworem odpowietrzajàcym i sygnalizatorem ciênienia, 4 urzàdzenia kontrolne temperatury i poziomu cieczy roboczej, 5a cylinder hydrauliczny wysi gnika Aqua 70 LL 50/ , 5b cylinder hydrauliczny ramienia Aqua 70 LD 40/25 600, 6 rozdzielacz VDH 30 EC 3/4, 7 zawór proporcjonalny VOH 30 PE, 8 zawór zwrotno-d awiàcy VOCH 30 M, 9 czujniki ciênienia, 10 czujniki przemieszczenia, 11 przep ywomierz turbinowy, 12 czujniki temperatury przyrost przep ywu. Tak zwane nieelektryczne opóênienie przesterowania wynosi 130 ms wed ug danych katalogowych. W badanym uk adzie podczas prób testowych czas ten by oko o 50% krótszy. Badania doêwiadczalne Zmiana kierunku ruchu i pr dkoêci cylindra w badanym uk adzie z rys. 3 wymaga a prze àczania cewek rozdzielacza zaworowego i proporcjonalnego regulatora przep ywu. Do tego celu u yta by a karta przekaênikowa. Karta przekaênikowa sterowana by a sygna em cyfrowym z karty analogowo-cyfrowej zainstalowanej w komputerze PC. Sygna y z czujników pomiarowych by y przetwarzane i archiwizowane przy u yciu karty A/C i programu komputerowego Lab Tech. Karta A/C pozwala a na próbkowanie z cz stotliwoêcià 500 Hz. Sygna wejêciowy przemieszczenia si ownika by jednoczeênie parametrem decydujàcym o sygnale wyjêciowym, czyli napi ciu sterujàcym pro- Rys. 4. Stanowisko badawcze z uk adem hydrauliki wodnej porcjonalnego regulatora przep ywu. Po o enie si ownika mierzone by o przy u yciu linkowego przetwornika przemieszczenia. Pomiary wykonano dla drugiego cz onu ( ramienia ) stanowiska, ze wzgl du na wymiary zamontowanego tam si ownika i zaplanowane badania porównawcze z si ownikiem olejowym (rys. 4) o podobnych wymiarach. Próby mia y na celu zaprojektowanie takiego sterowania, które umo liwi oby zatrzymanie si ownika jak najbli ej zadanej wartoêci. Testy ró ni y si wielkoêcià dodatkowego obcià enia si ownika i jego pr dkoêcià ruchu. Po wst pnych badaniach obcià- enie ograniczono do zakresu 0 50 kg, poniewa wi ksze obcià enia powodowa y gwa towne zmiany przemieszczenia si ownika. Ruch nie by kontrolowany w poczàtkowej fazie nawet przy pe nym przesterowaniu zaworu d awiàcego. Mimo tych ograniczeƒ przy maksymalnym przep ywie medium roboczego i obcià eniu kg mo na by o zaobserwowaç podobne zjawisko, ale w znacznie mniejszej, akceptowalnej skali. Dla jego wyeliminowania próby wykonywane by y przy kilku ustawieniach (0T; 3,5T; 5T, gdzie T obrót Êruby regulacyjnej zaworu zwrotno- -d awiàcego) zaworu d awiàcego (rys. 3). Pe nà kontrol nad ruchem si ownika w fazie rozruchu osiàgano równie przy zastosowaniu narastajàcego napi ciowego sygna u sterujàcego. Zmiana nat enia przep ywu przy narastajàcym sygnale sterujàcym pokrywa a si z wyznaczonà charakterystykà proporcjonalnego regulatora przep ywu (rys. 5). Ze wzgl du na kinematyk uk adu manipulatora wybrano dwie wartoêci przemieszczenia si ownika, dla których badano dok adnoêç pozycjonowania: 200 mm gdzie si a od obcià enia dzia a na kierunku zgodnym z kierunkiem ruchu si ownika, 400 mm gdzie si a od obcià enia w trakcie ruchu si ownika we wst pnej fazie dzia a zgodnie z kierunkiem ruchu si ownika, a nast pnie w fazie koƒcowej zmiana kierunku dzia ania na przeciwny. Ze wzgl du na brak znaczàcych ró nic w artykule przedstawiono wyniki doêwiadczeƒ tylko dla wysuwu si ownika równego 200 mm. Poni ej u yto nast pujàcych oznaczeƒ: 10

3 Rys. 5. Wyznaczona charakterystyka proporcjonalnego regulatora przep ywu dl odchy ka od zadanego przemieszczenia si ownika mierzona po zakoƒczonym procesie pozycjonowania (rys. 6), ddl maksymalna odchy ka od zadanego przemieszczenia si ownika zaobserwowana w trakcie procesu pozycjonowania. wyznaczonego przemieszczenia. Skorygowanie wyników ze wzgl du na czas potrzebny na przesterowanie rozdzielacza ograniczy o b àd pozycjonowania, ale i tak ró nica dochodzi a do 12 mm. Próby powtórzono dla trzech nastaw (0T; 3,5T; 5T) zaworu d awiàcego na linii sp ywowej. Dzia ania te nie przynios y znaczàcej poprawy pozycjonowania, a jedynie wyeliminowa y faz niekontrolowanego wysuwu si ownika. Sterowanie ze sprz eniem zwrotnym II typ sterowania Po przekroczeniu nastawionej wartoêci przemieszczenia si ownika program Lab Tech generowa korygujàcy sygna wyjêciowy podawany na kart przekaênikowà. Na jego podstawie si ownik by zasilany od drugiej strony do momentu osiàgni cia dok adnoêci pozycjonowania okreêlonej tolerancjà ±0,5 mm i wartoêcià wspó czynnika dla regulatora PID równà 1. Jednak zanim to osiàgni to, wysuni cie si ownika mimo sygna u korygujàcego znaczàco przekracza o wartoêç tolerancji (rys. 7). Rys. 7. Maksymalne przemieszczenie si ownika przy za o onej wartoêci wysuwu si ownika 200 ± 0,5 mm i zasilaniu korygujàcym przed zakoƒczeniem pozycjonowania Rys. 6. Wykres koƒcowych odchy ek dl od zadanego przemieszczenia si ownika w funkcji obcià enia m i napi cia sterujàcego U regulatora przep ywu dla wysuwu cylindra 200 mm I typ sterowania uk ad otwarty Po przekroczeniu nastawionej wartoêci przemieszczenia si ownika uk ad w programie Lab Tech generowa sygna wyjêciowy do karty przekaênikowej. Napi cie przesy ane na odpowiednie cewki przesterowywa o rozdzielacz tak, aby zamknàç drog po stronie t okowej i t oczyskowej cylindra. W sterowaniu zastosowano równie blok, który pozwala na zasilanie si ownika tylko do momentu osiàgni cia zadanego przemieszczenia i blokowa zasilanie przy oscylacji uk adu wokó niego: dl = -16,862+3,2596 x + 0,0116 y Ten najprostszy sposób sterowania nie sprawdzi si powodujàc zatrzymanie si ownika nawet po 18 mm (przy maksymalnym przep ywie i obcià eniu) od By o to spowodowane wielkoêcià sygna u sterujàcego dla proporcjonalnego regulatora przep ywu, która obliczana w programie na podstawie sygna u z czujnika przemieszczenia by a wartoêcià ujemnà, proporcjonalnà do b du pozycjonowania. Regulator przep ywu ujemne napi cie traktowa jako 0 V, a wi c przep yw by minimalny, a to spowalnia o korekcje przemieszczenia. Si ownik niezale nie od obcià enia i pr dkoêci wysuwu w koƒcowym efekcie zatrzymywa si na zadanej wartoêci przemieszczenia ±0,18 mm. III typ sterowania Program Lab Tech poczàwszy od 5 mm przed nastawionym wysuwem si ownika generowa napi ciowy sygna sterujàcy dla regulatora przep ywu. Jego wielkoêç odpowiada a wprost zmniejszajàcej si ró nicy nastawionego i mierzonego przemieszczenia. Poniewa napi cie poni ej 5 V odpowiada minimalnemu nat eniu przep ywu, si ownik w fazie hamowania porusza si z minimalnà pr dkoêcià. Po przekroczeniu wymaganego przemieszczenia uk ad zachowywa si jak w II typie sterowania. Si ownik niezale nie od obcià enia i pr dkoêci wysuwu w koƒcowym efekcie zatrzymywa si na zadanej wartoêci przemieszczenia z maksymalnà odchy kà 0,42/+0,18 mm. W póêniejszych próbach III typ sterowania zmodyfikowano i generowany sygna napi ciowy sterujàcy proporcjonalnym regulatorem przep ywu, po przekroczeniu zadanej wielkoêci wysuwu si owni- 11

4 Rys. 8. Maksymalne przemieszczenie si ownika przy za o onej wartoêci przemieszczenia 200 ± 0,5 mm z 5-mm fazà hamowania i zasilaniem korygujàcym przed zakoƒczeniem pozycjonowania ka by wartoêcià bezwzgl dnà odchy ki (WBO) pozycjonowania. Nie spowodowa o to jednak znaczàcego zmniejszenia si maksymalnego przemieszczenia ddl si ownika. IV typ sterowania W celu unikni cia skokowych zmian napi cia sterujàcego wyst pujàcych w III typie sterowania wprowadzono p ynnà regulacj progu startowego fazy hamowania si ownika. Je eli poczàtkowe napi cie na regulatorze proporcjonalnym wynosi o 7 V, to próg startowy fazy hamowania wynosi 7 mm, a to odpowiada o zmianie napi cia na regulatorze od 7 do 0 V wraz ze zmniejszajàcà si ró nicà wartoêci nastawionego i mierzonego wysuwu. Tego typu sterowanie pozwoli o na osiàgni cie najwi kszej dok adnoêci pozycjonowania ±0,05 mm i najmniejszych przemieszczeƒ si ownika ddl, co pokazuje wykres porównawczy przedstawiony na rys. 9. Rys. 9. Wykres porównawczy maksymalnych przemieszczeƒ si ownika ddl dla ró nych typów sterowania (dla m = 50 kg) Pewne aspekty zastosowania wody Wy szy wspó czynnik ÊciÊliwoÊci obj toêciowej i wy sza pr dkoêç rozchodzenia si dêwi ku w wodzie prowadzi do szybszej reakcji na ciênienie i agodniejszego rozpr ania czynnika roboczego, poniewa mniejsza iloêç energii potencjalnej zawarta jest w obj toêci np. takiej, jak komora cylindra prasy hydraulicznej [1]. Dla sprawdzenia tych i innych ró nic zastàpiono w stanowisku si ownik nap dzany wodnym medium si ownikiem olejowym. Zasilany by pompà z batà poprzez zawór typu Load Sensing, a wi c by to uk ad hydrauliczny o zupe nie innej strukturze. Ze wzgl du na w aêciwoêci zaworu LS zastosowanie sterowania I typu da o wyniki porównywalne z wynikami uk adu hydrauliki wodnej dla sterowania IV typu. Stàd te dalsze badania powinny byç prowadzone z zastosowaniem prostych elementów hydrauliki olejowej, co pozwoli na wyciàgni cie w aêciwych wniosków porównawczych, a w konsekwencji na zaprojektowanie odpowiedniego zaworu sterujàcego dla hydrauliki wodnej. W perspektywie uproêci i poprawi jakoêciowo sterowanie w uk adach hydrauliki wodnej maszyn i urzàdzeƒ. Wp yw ÊciÊliwoÊci cieczy na po o enie W literaturze [1, 2] podaje si zwykle Êrednie wartoêci modu u spr ystoêci dla wody β e = 2400 MPa i dla oleju mineralnego β e =1600 MPa. ÂciÊliwoÊç cieczy sprawia, i t ok w cylindrze hydraulicznym mo e doznawaç przemieszczeƒ s pod wp ywem zmian obcià enia zewn trznego. Je eli przyjàç wzrost obcià enia cylindra równy p = 14 MPa i maksymalny skok s = 1000 mm, to dla wodnego medium s = 5,8 mm, a dla oleju mineralnego s = 9,1 mm. Jednak te same przemieszczenia policzone z wykorzystaniem dost pnych charakterystyk ÊciÊliwoÊci porównywanych czynników roboczych wykazujà znacznie mniejszà ró nic rz du 0,6 mm. Wskazuje to na koniecznoêç precyzyjnego okreêlania wartoêci parametrów tych cieczy przy porównywalnych obliczeniach. Wnioski Ze wzgl du na opisane charakterystyki elementów hydrauliki wodnej precyzyjne pozycjonowanie manipulatora wymaga z o onego uk adu sterowania, szczególnie przy du ych pr dkoêciach wysuwu si ownika i wi kszych obcià eniach. W nowo projektowanych systemach nale y unikaç pr dkoêci ruchu si ownika, które wywo ujà rezonansowe efekty pracy uk adu hydrauliczno-mechanicznego (w testowanym stanowisku by a to pr dkoêç 70 mm/s, wywo ujàca drgania z cz stotliwoêcià 200 Hz). Zwi kszenie d awienia w uk adzie nie poprawia dok adnoêci pozycjonowania. Mo e natomiast wp ywaç na zwi kszanie temperatury pracy medium, której wartoêç jest ograniczona ze wzgl du na inne w aêciwoêci wody. Pomimo stwierdzonych problemów w budowie bardziej z o onych uk adów sterowania w hydraulice wodnej, nale y stwierdziç, e jest to dziedzina rozwojowa ze wzgl du na jej cechy proekologiczne. W przysz oêci badania mogà daç teoretyczne podstawy dla zastosowaƒ wodnych systemów hydraulicznych w ró norodnych maszynach i urzàdzeniach. Obecny obszar zastosowaƒ obejmuje g ównie przemys spo- ywczy, ale tak e farmaceutyczny, rekreacyjny itp. LITERATURA PRZEDMIOTU 1. Trostmann E.: Water hydraulics Control Technology, Lyngby Stryczek S.: Nap d hydrostatyczny, Vol. 1, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa Sobczyk A., Gawlik A.: Wodna hydraulika si owa nowej generacji. Hydraulika i Pneumatyka 6/2003, s Komainda A., Hiller M.: Motion Control of Redundant Large-Scale Manipulators a Changing Environment. Proc. of 10th World Congress on the Theory of Machines and Mechanisms, Oulu 1999, pp (1) 12

5 Dokoƒczenie z 12 str. 5. Garbacik A.: Studium projektowania uk adów hydraulicznych, Kraków Sairial H., Koskinen T.: Control of a water hydraulic cylinder drive with new proportional valve. Proc. of 8th Scandinavian International Conference on Fluid Power, SICFP 03, Tampere