Sterowanie napędów maszyn i robotów

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Sterowanie napędów maszyn i robotów"

Michał Wysocki
8 lat temu
Przeglądów:

1 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

Mechatroniki Politechnika Warszawska, 2014 Projekt współfinansowany

2 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

3 Współczesne urządzenia wykonawcze Silniki prądu stałego Siłowniki Silniki indukcyjne Elementy piezoelektryczne

4 Budowa serwomechanizmu napędowego sterownik silnika enkoder silnik do układu napędzanego (bezpośrednio lub poprzez przekładnię mechaniczną)

5 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. Przykładowy układ sterowania: Otwarty układ sterowania Zamknięty układ sterowania

Poziom energetyczny sygnałów sterujących z reguły znacznie niższy niż

6 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)

przejścia od fazy rozruchu i uruchomienia do fazy normalnej pracy układu (zapewnienie determinowanego zachowania napędu) dobór nastaw startowych sterowania automatycznie, z założeniem nieznajomości

7 Zadania układów sterowania, cd. 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.

. starzenie i zanieczyszczenie smaru) - zjawisk tribologicznych wywołanych postojem układu napędowego Generalnie można także powiedzieć, że ogólnym zadaniem układu sterowania jest

8 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

Rozróżnia się dwa rodzaje pozycjonowania: przestawianie przemieszczenie elementu ruchomego do pozycji zadanej, z zapewnieniem określonej jakości realizacji procesu ruchu i utrzymanie zadanej wartości

9 Sterowanie siłowe (momentowe) jest oddziaływaniem siłowym na element napędzanego urządzenia Gdzie spotykamy się ze sterowaniem siłowym???

10 Przykłady wykorzystania serwomechanizmów Operowanie materiałem

11 Przykłady wykorzystania serwomechanizmów Montaż

12 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) 13

wykonywanie ruchu z minimalnymi przemieszczeniami (np.

14 Wymagania stawiane współczesnym napędom - w warunkach dynamicznych: duże przyspieszenia (załączanie) i opóźnienia (hamowanie) ruchu dysponowanie odpowiednio dużymi momentami przyspieszenia i hamowania Czy moment potrzebny na przyśpieszenie/zwolnienie jest momentem stałym czy chwilowym, który musi wytworzyć maszyna??? dokładność odtworzenia toru ruchu przy zadanych prędkościach roboczych (od 1 [µm] do 1 [mm]) i prędkościach jałowych (od 1 [mm] do 10 mm) 14

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 15

Typ kinematyki maszyny: Rodzaj kinematyki (podajnik taśmowy, przekładnia śrubowa, przekładnia zębata,.

16 Dobór napędu: dane o maszynie 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), 16

Wymagana siła lub moment obrotowy Parametry optymalnego cyklu

17 Dobór napędu: aspekty statyczne Parametry do zdefiniowania: Maksymalna prędkość silnika: n MAX. 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 Mf. 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. 17

18 Dobór napędu: aspekty dynamiczne Parametry do zdefiniowania: Moment obrotowy przyśpieszenia: M ACC = Jω. Na podstawie znanej kinematyki i wymagań odnośnie ruchu należy obliczyć moment obrotowy potrzebny do osiągnięcia wymaganego przyśpieszenia Moment tarcia M f. 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. 18

19 Dobór napędu: weryfikacja termiczna 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

jego przydatności w cyklu pracy Należy narysować prędkość

20 Dobór napędu: weryfikacja termiczna Obliczamy średnią prędkość w cyklu pracy. n n t i i avg Tcycle ni Podczas przyśpieszania i zwalniania: ni 2 Obliczamy ekwiwalentny moment termiczny M th Mi ² T cycle t i

21 Dobór napędu: weryfikacja termiczna Porównujemy wyniki obliczeń z wykresem momentu obrotowego silnika: M [Nm] Obszar pracy przerywanej B M th A M th n [obr/min] n avg n avg Obszar pracy ciągłej Przypadek A : Silnik dobrany prawidłowo do cyklu pracy Przypadek B : Należy wybrać inny silnik z wyższym ciągłym momentem obrotowym

22 Dobór napędu: moment bezwładności 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

23 Dziękuję za uwagę

Podobne dokumenty

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów Wykład 2 - Dobór napędów Instytut Automatyki i Robotyki Warszawa, 2015 Wstępny dobór napędu: dane o maszynie Podstawowe etapy projektowania Krok 1: Informacje o kinematyce maszyny Krok 2: Wymagania dotyczące