Podstawy Mechatroniki 2. Urządzenia mechatroniczne

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Podstawy Mechatroniki 2. Urządzenia mechatroniczne"

Dorota Wieczorek
6 lat temu
Przeglądów:

1 Podstawy Mechatroniki 2. Urządzenia mechatroniczne Politechnika Poznańska Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn Poznań, 09 listopada 2015

2 System mechatroniczny Sterowanie i regulacja Budowa systemu mechatronicznego

3 System mechatroniczny - struktura I System mechatroniczny Sterowanie i regulacja System mechatroniczny - zamknięty układ sterowania zbudowany z: obiektu podlegającego kontroli, modułu pomiarowego, układu sterującego, modułu nastawczego. Moduł pomiarowy - pojedynczy czujnik lub dodatkowe komponenty: wzmacniacz, modulator. Układ sterujący - rejestruje sygnały z modułu pomiarowego i w oparciu o algorytm sterujący wysyła sygnały do modułu nastawczego. Układ nastawczy - nastawniki i opcjonalnie źródło napięcia zasilania.

4 Wprowadzenie I System mechatroniczny Sterowanie i regulacja W systemach technicznych (np. urządzeniach) bardzo często występuje konieczność realizacji takich działań, żeby zmienne w czasie wielkości systemu miały określone przebiegi. W najprostszym przypadku wielkości te powinny mieć stałe wartości, pomimo działających na system zakłóceń. Tego rodzaju zadania można realizować przez zastosowanie sterowania i regulacji. Należy zatem wyjaśnić różnicę między tymi pojęciami.

Sterowanie I System mechatroniczny Sterowanie i regulacja Sterowanie jest działaniem, w którym należy zrealizować żądany przebieg czasowy własnej wielkości wyjściowej układu, przy czym wielkość na

5 Sterowanie I System mechatroniczny Sterowanie i regulacja Sterowanie jest działaniem, w którym należy zrealizować żądany przebieg czasowy własnej wielkości wyjściowej układu, przy czym wielkość na którą się oddziałuje nie jest mierzona. Cechą charakterystyczną sterowania jest otwarty przebieg działania. Nie ma sprzężenia zwrotnego wielkości wyjściowej układu z jego wejściem. Otwarty sposób działania jest często określany jako sterowanie w obwodzie otwartym.

Regulacja I System mechatroniczny Sterowanie i regulacja Regulacja to takie działanie, w którym wielkość regulowana jest ciągle mierzona i porównywana z wielkością zadaną.

6 Regulacja I System mechatroniczny Sterowanie i regulacja Regulacja to takie działanie, w którym wielkość regulowana jest ciągle mierzona i porównywana z wielkością zadaną. Wynik porównania (różnicy) to uchyb regulacji, którym oddziałujemy na wielkość regulowaną, tak żeby była ona równa wielkości zadanej. Takie działanie nazywamy sprzężeniem zwrotnym wyjścia układu z wejściem. Zbudowany w taki sposób zamknięty obwód jest określany jako obwód regulacji.

7 System mechatroniczny Sterowanie i regulacja Cechy układów sterowania i regulacji

8 Rodzaje regulacji I System mechatroniczny Sterowanie i regulacja Istnieje wiele różnych rozwiązań układów sterowania i regulacji I tak np. ze względu na rodzaj zadania regulacyjnego rozróżnia się układy: regulacji stałowartościowej (stabilizujące) oraz układy regulacji nadążnej (śledzące). W układach regulacji stałowartościowej wartość zadana jest stała w długim okresie czasu. Zadaniem układu regulacji jest minimalizacja oddziaływania na obiekt regulacji występujących zakłóceń. Natomiast w przypadku układów regulacji nadążnej wielkość zadana nie jest stała w czasie i może się zmieniać w sposób z góry nieprzewidziany (jest nieznaną funkcją czasu). Zadaniem urządzenia regulacyjnego jest możliwie dokładne odwzorowanie przebiegu czasowego wielkości zadanej na wyjściu obiektu (wielkości regulowanej).

9 System mechatroniczny Sterowanie i regulacja Wymagania stawiane układowi regulacji

Współczesny aparat fotograficzny I Mówiąc o urządzeniach mechatronicznych powinniśmy cofnąć się do lat 50, kiedy zaistniał termin mechatroniczny, jako opis układu automatycznego aparatu

10 Współczesny aparat fotograficzny I Mówiąc o urządzeniach mechatronicznych powinniśmy cofnąć się do lat 50, kiedy zaistniał termin mechatroniczny, jako opis układu automatycznego aparatu małoobrazkowego. Dosyć skomplikowane funkcje i sposób w jaki je realizował, pozwoliły na otrzymanie nowego typu konstrukcji. Współczesny sprzęt fotograficzny, zarówno ten klasyczny jak też cyfrowy, to typowy przykład rozwoju produktów mechatroniki.

11 Pralka automatyczna - programator elektromechaniczny

12 Pralka automatyczna - programator mikroprocesorowy

13 Robot przemysłowy I

14 Mechatroniczne podejście do projektowania Mechatroniczne podejście do projektowania charakteryzuje się tym, że system mechaniczny i elektroniczny od samego początku należy traktować jako zintegrowany przestrzennie i funkcjonalnie system całkowity.

15 Ładowarka teleskopowa - stawiane zadania Podstawowym celem ładowarki, pokazanej na rys. a, jest podnoszenie palet i umieszczanie ich zgodnie z potrzebami. Do wykonania takiego zadania konieczne jest sterowanie pozycją wideł zamocowanych na końcu wysięgnika teleskopowego, który może obracać się dokoła osi poziomej. Taka konstrukcja mechaniczna (z podstawowymi parametrami r i θ) jest stosowana przede wszystkim z powodu dużego zasięgu przy stosunkowo małych rozmiarach maszyny.

16 Ładowarka teleskopowa - wady I Konstrukcja taka nie nadaje się jednak zbyt dobrze do układania palet w stosy. Operator zwykle chce wtedy poruszać widłami poziomo lub pionowo. Ruchy zadania mają więc charakter kartezjański (x, y), w przeciwieństwie do biegunowego (r, θ) charakteru ruchu konstrukcji. Oczywiście można skonstruować ładowarkę w układzie kartezjańskim (x, y) (rys. b). Będzie ona jednak mieć mniejszy zasięg przy zwiększonych gabarytach

17 Ładowarka teleskopowa - podejście mechatroniczne Podejście mechatroniczne pozwala zbudować pojazd (podobny do robota) widziany jako zintegrowany system o 2 stopniach swobody. Zależność między ruchami konstrukcji (przestrzenią konstrukcji) i ruchami zadania (przestrzenią zadania) jest przetwarzana przez układ sterujący urządzenia.

18 Siłownik inteligentny (smart actuator) Poprawna konstrukcja mechatroniczna powinna zawierać siłownik inteligentny (smart actuator). Przetworniki (pozycji i prędkości tłoczyska), zawory elektromagnetyczne (serwozawory) i obwody interfejsowe umieszczone są w obudowie siłownika. Taki siłownik hydrauliczny można traktować podobnie jak urządzenia elektroniczne, które można prosto przyłączyć do standardowej magistrali (standard bus). Jedyna różnica to, że wymaga on zarówno przyłączenia siłowego zasilania hydraulicznego jak i elektrycznego.

19 Ładowarka teleskopowa - rozwiązanie mechatroniczne Skutek rozwiązania mechatronicznego jest dobitnie zilustrowany na rys. Rysunek ten pokazuje poprawę skuteczności operatora w prowadzeniu wideł po ścieżce prostokątnej. Ponieważ maszyna jawi się operatorowi jakby miała konstrukcję kartezjańską (x, y), jest bezpieczniejsza i łatwiejsza do nauki. Operator może operować jedną dźwignią (jedną ręką), pozostawiając drugą ręką do operowania innymi sterowaniami.

20 Kompensator naprężenia przędzy w nawijarce - zadania W przemyśle włókienniczym przędza jest często dostarczana do maszyn w postaci samych nawojów, bez nawinięcia jej na cewki czy szpulki. W końcowym procesie wytwarzania przędzy nawija się ją na stożek przy stałym stosunku średnic zwojów (jak to ma miejsce w nowoczesnych procesach z wolnym końcem przędzy). Jak widać na rys. a istnieje cyklicznie zmienne niedopasowanie między zasilaniem i odbiorem przędzy. Przyczyną jest różnica prędkości obwodowych, które występują na dużym i małym końcu stożka. Zmieniające się cyklicznie naprężenie przędzy powoduje złą jakość nawojów i często zrywanie przędzy.

21 Kompensator naprężenia przędzy w nawijarce - wady Przy małych prędkościach przędzy problem może być rozwiązany przez zastosowanie prostego kompensatora sprężynowego, używającego miękkiej sprężyny do utrzymania odpowiednio stałego naprężenia przędzy czy nici (podobnie jak naprężacz nici w maszynie do szycia). System taki pokazany jest na rys. b. Dwa kołki, wokół których przechodzi przędza, przymocowane są do talerzyka oscylującego wokół swej osi. Gasi on wahania naprężenia gdy przędza nawijana jest od małego do dużego końca stożka. Przy małych prędkościach nawijania to bierne urządzenie kompensacyjne pracuje bez zarzutu, przy dużych zawodzi. Doprowadziło to do rozwoju nowych mechanizmów kompensacji naprężenia.

22 Kompensator naprężenia przędzy - mechaniczny Na pierwszy rzut oka wydaje się to być łatwe. Można sobie wyobrazić, wychodząc z prostej geometrii stożka, że wymagany ruch kompensatora będzie łatwo zrealizować wyłącznie środkami mechanicznymi. W praktyce nie ma do tego środków. Po pierwsze, kąt wzniosu linii śrubowej, wzdłuż której przędza jest nawijana, zmienia się w skomplikowany sposób, częściowo wskutek praktycznych ograniczeń wytwarzania krzywki poprzecznej, rozdzielającej przędzę wzdłuż stożka. Po drugie, wymagana kompensacja zmienia się z biegiem operacji nawijania i ze wzrostem rozmiarów cewki (rys.c). Te problemy nie wykluczają rozwiązań czysto mechanicznych. Są one jednak zbyt złożone i kosztowne oraz z reguły zawierają powierzchnie ślizgowe (np. krzywki), które muszą być dokładnie uszczelnione przed dostępem włókien i kurzu jaki jest w przędzalni.

Kompensator naprężenia przędzy - mechatroniczny Mechanika mechatronicznego kompensatora naprężenia może być znacznie prostsza. Rysunek pokazuje takie urządzenie.

23 Kompensator naprężenia przędzy - mechatroniczny Mechanika mechatronicznego kompensatora naprężenia może być znacznie prostsza. Rysunek pokazuje takie urządzenie. Prosta dwukołkowa zasada biernego kompensatora sprężynowego pozostała, ale ruch talerzyka jest wymuszany przez mały silnik krokowy, sterowany mikroprocesorem. Strategia sterowania w obwodzie otwartym jest podyktowana niedostępnością jakiejkolwiek taniej i niezawodnej metody pomiaru naprężenia biegnącej przędzy.

24 Kompensator naprężenia przędzy - system sterowania Ruch tarczy jest zsynchronizowany z oscylacjami poprzecznej prowadnicy przędzy za pomocą czujnika optycznego, zamocowanego na czopie krzywki poprzecznej. Impulsy wyjściowe z enkodera są zliczane a talerzyk z kołeczkami obraca się o małe przyrosty zawsze wtedy, gdy odpowiednia liczba impulsów zostanie zliczona. Liczby impulsów, które muszą być znane zanim nastąpi kolejny krok silnika, gromadzone są w tablicy danych w pamięci sterownika mikroprocesorowego. W efekcie spełnia to funkcje krzywki elektronicznej.

Podobne dokumenty

Automatyka i sterowania

Automatyka i sterowania Układy regulacji Regulacja i sterowanie Przykłady regulacji i sterowania Funkcje realizowane przez automatykę: regulacja sterowanie zabezpieczenie optymalizacja Automatyka i sterowanie