Інтелектуальні модулі руху

 

Як відзначалося вище, головною особливістю сучасного етапу розвитку мехатроники є створення принципово нового покоління модулів - інтелектуальних мехатронных модулів(ИММ). Розглянемо основні переваги, які дає застосування інтелектуальних мехатронных модулів :

– здатність ИММ виконувати складні рухи самостійно, без звернення до верхнього рівня управління, що підвищує автономність модулів, гнучкість і живучість мехатронных систем, працюючих в умовах зовнішнього середовища, що змінюються і невизначених;

– спрощення комунікацій між модулями і центральним облаштуванням управління(аж до переходу до безпровідних комунікацій), що дозволяє домагатися підвищеної завадозахищеності мехатронной системи і її здатності до швидкої реконфігурації;

– підвищення надійності і безпеки мехатронных систем завдяки комп'ютерній діагностиці несправностей і автоматичному захисту в аварійних і нештатних режимах роботи;

– створення на основі ИММ розподілених систем управління із застосуванням мережевих методів, апаратно-програмних платформ на базі персональних комп'ютерів і відповідного програмного забезпечення;

– використання сучасних методів теорії управління(програмних, адаптивних, інтелектуальних, оптимальних) безпосередньо на виконавчому рівні, що істотно підвищує якість процесів управління в конкретних реалізаціях;

– інтелектуалізація силових перетворювачів, що входять до складу ИММ, для реалізації безпосередньо в мехатронном модулі інтелектуальних функцій по управлінню рухом, захисту модуля в аварійних режимах і діагностики несправностей;

– інтелектуалізація сенсорів для мехатронных модулів дозволяє добитися більш високої точності виміру, програмним шляхом забезпечивши в самому сенсорному модулі фільтрацію шумів, калібрування, лінеаризацію характеристик вхід/вихід, компенсацію перехресних зв'язків, гістерезису і дрейфу нуля.

Основним чинником, стримуючим використання інтелектуальних мехатронных модулів в серійних виробах, являється їх висока ціна, хоча останніми роками вона постійно знижувалася. Це обумовлено рядом технологічних чинників :

– бурхливим розвитком останнім часом апаратних пристроїв і інформаційних технологій, орієнтованих на завдання управління рухом;

– появою напівпровідникових приладів нового покоління(силових польових транзисторів, біполярних транзисторів з ізольованим затвором, тиристорів з польовим управлінням);

– переходом на нову елементну базу в системах управління рухом - це цифрові сигнальні процесори(DSP- процесори) і блоки FPGA(Field Programmable Gate Arrays);

– розробкою гібридних технологій мехатроники, що дозволяють вбудовувати електронні і обчислювальні пристрої в механічні вузли.

Інтелектуальний мехатронный модуль складається з наступних основних елементів:

– електродвигуна(хоча можливе використання рушіїв і інших типів, наприклад, гідравлічних);

– механічного перетворювача;

– датчиків зворотного зв'язку і сенсорних пристроїв;

– контроллера, що управляє;

– силового перетворювача;

– облаштувань сполучення і зв'язку.

У сучасних ИММ використовують різні типи електродвигунів : кутового і лінійного руху, змінного і постійного струму, колекторні і вентильні, безперервного руху і крокового.

В якості перетворювачів руху застосовують зубчасті, гвинтові і інші передачі. У конструкціях деяких ИММ, побудованих на базі високомоментних двигунів, перетворювачі руху відсутні.

У інтелектуальних мехатронных модулях використовують різні датчики положення і швидкості(фотоімпульсні трансформатори, тахогенератори, що обертаються) і сенсори(датчики струму і моменту, температури і вібрації), які передають інформацію в облаштування комп'ютерного управління про фактичний стан підсистем модуля.

Вбудовані контроллери, що управляють, реалізовані на сучасній елементній базі, дозволяють отримати компактні і надійні мехатронные вироби, що мають інтелектуальні функції, і будувати на їх основі багатокоординатні мехатронные системи з децентрализованным управлінням. У поєднанні з відкритою архітектурою систем управління типу РС-NC це дозволяє створити якісно нові системи управління, що мають принципово нові характеристики по швидкодії, точності і функціональній гнучкості.

Принципово важливо, щоб усі перераховані елементи були конструктивно об'єднані розробником в єдиному корпусі. При цьому облаштування зв'язку стають внутрішніми блоками, недоступними для користувача.

У роботах приведений опис інтелектуальних мехатронных модулів виробництва фірм Animatics Corp. (США) і SIEMENS(Німеччина), призначених для реалізації рухів по одній керованій координаті з можливістю вільного програмування послідовності рухів.

В цілому можна виділити три напрями інтелектуалізації мехатронных модулів руху :

– розвиток інтегрованих інтерфейсів, що зв'язують контроллер, що управляє, з комп'ютером верхнього рівня в єдиний апаратно-програмний комплекс, що управляє;

– створення інтелектуальних силових модулів управління шляхом інтеграції контроллерів, що управляють, і силових перетворювачів;

– розробка інтелектуальних сенсорів мехатронных модулів, які додатково до звичайних вимірювальних функцій здійснюють комп'ютерну обробку і перетворення сигналів по гнучких програмах.

Останнім часом простежується тенденція використання сучасних методів інтелектуального управління мехатронных модулів руху(на рівні виконавських систем).

Германським інститутом микромехатроники розроблена концепція «інтелектуального валу двигуна». Ідея цієї концепції полягає у вбудовуванні на валу двигуна додаткових датчиків для виміру таких(що традиційно вважаються другорядними) параметрів, як зусилля валу, що вигинає, напругу кручення і дію вібрацій. При цьому обмін інформацією і енергією здійснюється по радіоканалах.

На Рис. 2.11 показана кінематична схема інтелектуального мехатронного модуля, призначеного для здійснення вальцювальних з'єднань при складанні сучасних облаштувань електроустаткування автомобілів(електробензонасосів, форсунок уприскування, датчиків електронних систем, котушок запалення, реле і т. д.).

Рис. 2.11. Кінематична схема інтелектуального мехатронного модуля

 

Вихідною ланкою модуля є шарико-винтовая передача 1. Модуль містить два паралельні кінематичні ланцюги: обертання гайки від електродвигуна М1 з циліндричною прямозубой передачею 2-3 і обертання ходового гвинта від електродвигуна М2 через шпиндель 4, пов'язаною з гвинтом жорсткою кулачковою муфтою 5, і з прямозубой циліндричною передачею 6-7. Шестерня 7 виконана полою, а передача обертання від неї шпинделю здійснюється за рахунок рухливого шліцьового з'єднання 8. Корпус 9 має проушины 10 для закріплення модуля в технологічному устаткуванні, наприклад, складальному центрі. Для виміру частоти обертання валів приводних електродвигунів використовуються тахогенератори BR1 і BR2.

Визначення осьового положення ходового гвинта і відповідно шпинделя відносно корпусу модуля робиться блоком датчиків положення БДП, рухливий елемент якого 11 закріплюється на верхньому кінці ходового гвинта.

Модуль відтворює необхідні для складання рухи: поступальне переміщення шпинделя з вальцювальною голівкою до контакту з виробом, гвинтовий рух вальцювання, обертальний рух обкатки і поступальне переміщення шпинделя вгору в початкове положення. Слід зазначити можливість реверсування осьового переміщення шпинделя без реверсування приводних двигунів, що є додатковою перевагою мехатронного модуля, оскільки швидкодіюче реверсування електродвигунів, як відомо, супроводжується істотними втратами електроенергії. Вказані рухи формуються співвідношеннями частот обертання гвинта і гайки. Визначення конкретних закономірностей зміни частот обертання на кожному етапі виконання з'єднання є самостійним завданням алгоритмічного забезпечення(АТ) управління процесом.

Рис. 2.12. Структурно-функціональна схема системи автоматичного управління мехатронного модуля

 

На Рис. 2.12 приведена структурно-функціональна схема системи автоматичного управління мехатронного модуля.

Є два контури управління електродвигунами М1 і М2, замкнуті по частотах обертання їх валів n1 і n2. Кожен з контурів містить датчик частоти обертання BR1, BR2 і регулятори тиристорів ТР1, ТР2. Два інформаційні канали про силу струму 1(датчик струму ДТ), споживаного двигуном М2, і про поточне положення шпинделя 1ш(блок датчиків положення БДП) призначені для постачання блоку узгодження управління електродвигунами БСУ даними, необхідними для забезпечення силового зворотного зв'язку і завдання правильної послідовності чергування етапів процесу. БСУ реалізує управління на основі АТ, що передбачає своєчасне припинення тих реалізацій технологічних операцій, які мають патологію, не сумісну з отриманням якісного з'єднання. Кінематичне перетворення обертальних рухів здійснює блок КПВД.

Укрупнено взаємодія структурних блоків САУ відбувається таким чином. Відповідно до АТ управління конкретною операцією на кожному її етапі за інформацією про I, lш, n1, n2 БСУ виробляє задаючі сигнали на контури управління електродвигунами у вигляді електричної напруги U31, U32. Згідно з ними з урахуванням сигналів зворотного зв'язку Un1 і Un2 про частоту обертання валів електродвигунів регулятори ТР1 і ТР2 видають безпосередньо на електродвигуни дії U1 і U2, що управляють, забезпечуючи з необхідною точністю задане співвідношення між n1 і n2, а також бажана якість перехідних процесів в САУ при зміні уставки завдань.

Таким чином, система управління включає усі три взаємодіючі рівні управління :

– виконавчий, такий, що забезпечує управління приводами;

– тактичний, здійснюючий безперервне управління кожною реалізацією процесу з урахуванням виконання вимог до показників якості і конструктивно-технологічних особливостей з'єднань;

– стратегічний, здійснюючий вибір альтернативної додаткової дії, що управляє, на об'єкт.

Стратегічний рівень повинен виявляти процеси, що також не піддаються тактичному управлінню, і своєчасно припиняти їх подальше виконання, повертаючи систему в початкове положення.