WYKORZYSTANIE LASEROWEGO CZUJNIKA ODLEGŁOŚCI DO ESTYMACJI SIŁY PODCZAS STEROWANIA SERWONAPĘDU ELEKTROHYDRAULICZNEGO DŻOJSTIKIEM DOTYKOWYM

Transkrypt

1 prof. dr hab. inż. Andrzej Milecki Politechnika Poznańska mgr Marcin Chciuk mgr inż. Paweł Bachman Uniwersytet Zielonogórski WYKORZYSTANIE LASEROWEGO CZUJNIKA ODLEGŁOŚCI DO ESTYMACJI SIŁY PODCZAS STEROWANIA SERWONAPĘDU ELEKTROHYDRAULICZNEGO DŻOJSTIKIEM DOTYKOWYM Celem artykułu jest opisanie bezpośredniego układu sterowania serwonapędem elektrohydraulicznym z zastosowaniem dżojstika dotykowego z hamulcem magnetoreologicznym i siłowym sprzężeniem zwrotnym. Na początku artykułu znajduje się opis układu sterowania opartego na laserowym czujniku położenia Balluff BOD K-RA-C-, który służy do symulacji siły obciążenia siłownika. W końcowej części artykułu pokazane są wyniki badań symulacji ściskania sprężyny oraz procesu łamania. USING LASER DISTANCE SENSOR FOR FORCE SIMULATION IN CONTROL OF ELCTROHYDRAULIC SERVODRIVE WITH HAPTIC JOYSTICK The article is aimed to testing of haptic joystick with force feedback and magnetorheological fluid brake used in direct, human control of elctrohydraulic servodrive. The paper starts with the description of the control system based on laser distance sensor Balluff BOD K-RA-C- which is using for piston s working load simulation. Finally, a research results for spring compression and breaking simulation are presented.. Wstęp W układach z siłowym sprzężeniem zwrotnym wykorzystywanych często w technologii haptic jako element mierzący siłę oddziaływania urządzenia na przeszkodę używane są czujniki siły. W momencie, gdy siły przekroczą oczekiwane wartości krytyczne czujniki siły narażone na zniszczenie. W przypadku, gdy znana jest wielkość przesuwanej masy nie ma potrzeby wykorzystywania czujnika siły. Można zastąpić go czujnikiem położenia, a sygnał siły wygenerować na podstawie jego wskazań w sterowniku. Do sterowania napędem elektrohydraulicznym wykorzystywany będzie dżojstik dotykowy, którego podobne konstrukcje opisywane były w publikacjach [,,,, 7, 8]. W dżojstiku, jako element wywołujący siłę oporu wykorzystano hamulec magnetoreologiczny (MR) opisany dokładniej w artykułach [, ].. Opis stanowiska pomiarowego Do pomiarów położenia zastosowano czujnik laserowy firmy Balluff BOD K-RA-C- o zakresie pracy do mm i analogowym napięciu wyjściowym -V. W związku z tym, że w początkowej części charakterystyki (rys. ) czujnik wykazuje dużą nieliniowość pracowano w

2 Napięcie [V] zakresie od do 8 mm. Czujnik został tak umieszczony, aby punkt zderzenia tłoka siłownika z przeszkodą wypadał w odległości mm. Zakres pracy Odległość [mm] Rys.. Charakterystyka laserowego czujnika Balluff BOD K-RA-C- [9] Podczas pomiarów sygnał z czujnika siły nie był brany pod uwagę, mimo że czujnik znajdował się w układzie. W programie sterującym natomiast tak przeliczono uzyskiwany z czujnika odległości sygnał, aby wartość maksymalna siły z siłownika odpowiadała wartości uzyskiwanej w badaniach z użyciem czujnika siły (rys. ). Fd [N] L [mm] Rys.. Charakterystyka siły generowanej na dżojstiku F d na podstawie odległości z czujnika laserowego w zależności od odległości od przeszkody L Widok stanowiska badawczego pokazany jest na rys. Laserowy czujnik odległości Napęd hydrauliczny Krańcówka Czujnik siły Obciążenie-hamulec MR Rys.. Widok stanowiska badawczego

3 . Badania doświadczalne Głównym zagadnieniem, jakie chciano rozpatrzyć podczas badań było to, czy za pomocą dżojstika operator jest w stanie wyczuć ugięcie się sprężyny. Podczas pomiarów nie montowano na stanowisku hydraulicznym rzeczywistej sprężyny ze względów bezpieczeństwa (mogłaby ona pęknąć lub wyrwać się). Układ sterowania wykonany w programie Simulink pokazany jest na rys.. W pierwszym etapie badań symulowano obciążenie liniowe, którego wartość można opisać zależnością (), F sym =k y () gdzie F sym to wielkość symulowanej siły, k współczynnik twardości sprężyny a y to położenie tłoka siłownika. polsilo Położenie siłownika Gain To Workspace Napięcie zaworu proporcjonalnego Input Ou tput Input Położenie dżojstika Gain Gain Output Input napzawor Input Gain To Workspace Gain poldzoj To Workspace time Clock To Workspace Sygnał z czujnika odległości Napięcie hamulca MR dżojstika Input -. 8 Output Input Gain Output. Constant sym _ sily To Workspace 9 Rys.. Układ sterowania wykonany w programie Simulink Na rys. przedstawione są przebiegi położenia dżojstika y d i siłownika y s oraz symulowana siła generowana na podstawie wskazań czujnika odległości F sym i siła na dżojstiku F d. Pokazane są przebiegi dla wysunięcia dżojstika i ruchu powrotnego.

4 Ud[V] y d [mm] y s [mm] 7 F d [N] F sym [kn] Rys.. Przebiegi położenia dżojstika i siłownika oraz siły symulowanej i siły na dżojstiku Na rys. przedstawione są przebiegi napięcia podawanego na hamulec MR dżojstika U d dla różnych wartości twardości sprężyny k= k= k= 8 Rys.. Napięcie wychodzące na dżojstik dla różnych sztywności symulowanej sprężyny Następnym etapem było zasymulowanie procesu łamania. W tym celu użyto wyłącznik krańcowy widoczny na rys., który w pewnym momencie odłączał sygnał z czujnika położenia sprawiając, że wartość symulowanej siły gwałtownie spadała. Podczas spadku siły na siłowniku powstały oscylacje widoczne na rys. 7b.

5 Ud[V] a) y d [mm] y s [mm],,,, F d [N] b) 7,8,,8,7 F gen [kn],,,, Rys. 7. Wykresy pokazujące symulację łamania Ostatnim etapem było zasymulowanie sprężyny nieliniowej, którą można opisać zależnością (). F sym =k (y) () Porównanie przebiegów napięcia wyjściowego na hamulec MR dżojstika dla symulacji sprężyny liniowej i nieliniowej pokazane jest na rys U d =k (y) U d =k y,,, Rys. 8. Porównanie przebiegów napięcia wyjściowego na hamulec MR dżojstika dla symulacji sprężyny liniowej i nieliniowej

6 . Wnioski Pokazane w artykule wyniki pomiarów dowodzą, że możliwe jest odczuwanie za pomocą dżojstika dotykowego z cieczą MR sprężystych zmian siły obciążenia napędu elektrohydraulicznego. Potwierdza to też opinia operatora, który przy pomocy zmysłu dotyku również odczuwał te zmiany. Zmysł odczuwania siły oporu u człowieka nie jest jednak na tyle czuły na zmiany, żeby było możliwe odróżnienie np. obciążenia liniowego od nieliniowego. Następnym etapem badań będzie zastosowania w regulatorze zależności opisanych prawem Webera- Fechnera, które tworzy relację między fizyczną miarą bodźca a reakcją układu biologicznego. Prawo to ujawnia zmiany wpływu na ludzką wrażliwość bodźca w miarę przyrostu jego intensywności. Przewiduje się, że pozwoli to na zwiększenie czułości systemu i poszerzenie zakresu odczuć operatora. Pracę wykonano w ramach projektu badawczego MNiSW p.t.: " Zastosowanie metod sztucznej inteligencji do nadzorowania pracy urządzeń mechatronicznych z napędami elektrohydraulicznymi sterowanymi bezprzewodowo" nr N N 77. Paweł Bachman jest stypendystą w ramach Poddziałania 8.. Regionalne Strategie Innowacji, Działania 8. Transfer wiedzy, Priorytetu VIII Regionalne Kadry Gospodarki Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego Unii Europejskiej i z budżetu państwa. Literatura [] Paweł Bachman, Zastosowanie cieczy MR w dżojstikach typu "haptic", Ciecze elektro- i magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w technice, Poznań,. [] Andrzej Milecki, Paweł Bachman, Konstrukcja i badania urządzeń zadających i dotykowych z cieczami magnetoreologicznymi i z siłowym sprzężeniem zwrotnym - podsumowanie projektu badawczego, Współczesne problemy techniki, zarządzania i edukacji, Zielona Góra, 8. [] Andrzej Milecki, Paweł Bachman, Marcin Chciuk, Wykrywanie kolizji w teleoperatorze z interfejsem dotykowym i systemem wizyjnym, Pomiary, Automatyka, Robotyka, nr,. [] Piotr Gawłowicz, Marcin Chciuk, Paweł Bachman, Algorytmy sterowania napędem elektrohydraulicznym przy pomocy wahadłowego dżojstika dotykowego z cieczą MR w układzie z siłowym sprzężeniem zwrotnym, Pomiary, Automatyka, Robotyka, nr, 9. [] Paweł Bachman, Andrzej Milecki, MR haptic joystick in control of virtual servo drive, Journal of Physics : Conference Series, Vol. 9, 9. [] Piotr Gawłowicz, Marcin Chciuk, Paweł Bachman, Robot sterowany trzyosiowym dżojstikiem dotykowym z cieczą magnetoreologiczną, Pomiary, Automatyka, Robotyka, nr, 9. [7] Paweł Bachman, Siłowe sprzężenie zwrotne w hydraulice, Hydraulika i Pneumatyka, nr, 9. [8] Paweł Bachman, Sterowanie napędem elektrycznym za pomocą dżojstika dotykowego z cieczą magneto reologiczną, Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej, nr 8, Poznań, 8. [9] Dokumentacja czujnika położenia Balluff BOD K-RA-C- dostępna pod adresem: