Электропневматический следящий привод в адаптивной системе подрессоривания мобильного роботизированного комплекса

УДК 62-52

Р. А. Мунасыпов, О. В. Целищев

электропневматический следящий привод в адаптивной СИСТЕМЕ подрессоривания мобильного роботизированного комплекса

Рассматриваются вопросы автоматизации технологических процессов и систем подрессоривания мобильных роботизированных комплексов. Приводится описание конструкции, структурная и функциональная схемы. Описываются математические модели электроп-невматического следящего привода управляемых амортизаторов и интеллектуальной системы управления комплекса. Представлены результаты моделирования процесса работы пневмоподвески при въезде на наклонную поверхность и одновременном использовании в качестве дополнительной степени свободы промышленного робота.Электропневманический следящий прибор; подвеска; роботизированная система; интеллектуальное управление

ВВЕДЕНИЕ

Практически во всех областях производство все больше оснащается новейшим оборудованием - станками-автоматами, автоматическими линиями, обрабатывающими центрами и другой современной техникой.

Роботизация и автоматизация промышленности - одно из наиболее прогрессивных направлений в комплексной механизации производства, широкое применение промышленных роботов, систем автоматического управления, позволяющее создавать полностью автоматизированные участки производства, цеха, заводы.

В настоящее время прослеживается тенденция к изготовлению небольших партий разнообразных и сложных деталей. В таких условиях труднее становится прогнозировать загрузку производства, обостряется ценовая конкуренция.

Вследствие модернизации обеспечение безопасности и эксплуатационной надежности оборудования и аппаратуры можно отнести к актуальным направлениям теоретических и экспериментальных исследований, так как с каждым днем устройства становятся все более сложными, дорогостоящими и чувствительными к вибрационным воздействиям. Многочисленные разработки посвящены задачам вибрационной защиты технических объектов, мехатроники и робототехники.

Контактная информация: 8 (347) 252-65-34 Работа выполнена при поддержке грантов Минобразования России и РФФИ 11-08-00871_а «Исследование и проектирование интеллектуальных систем управления сложными техническими и технологическими объектами на основе гибридных технологий», 11-08-97063_р_поволжье_а «Проектирование интеллектуальных систем управления автономными многомодульными транспортными объектами, функционирующих в условиях неопределенности».

На сегодняшний день одним из наиболее эффективных средств обеспечения упругой связи между колесами и кузовом транспортного средства за счет восприятия действующих сил и гашения колебаний является пневматическая подвеска, упругими элементами которой являются пневморессоры.

Разрабатываемый мобильный роботизированный комплекс представляет собой автономную многофункциональную транспортную платформу с регулируемыми амортизаторами с автоматическим или дистанционным управлением, предназначенный для гашения колебаний и сохранения заданного уровня пола комплекса при транспортировке опасных грузов и высокоточной аппаратуры, в которых недопустимы вибрация, наклоны и раскачка, или промышленных роботов, для устранения привязки промышленного робота к стационарному рабочему месту, то есть придания роботу мобильности, и независимости положения основания робота от качества дорожного покрытия.

Область применения мобильных роботизированных комплексов с управляемыми амортизаторами определяется установленным на них оборудованием и транспортной базой. Устанавливаемое оборудование зачастую накладывает достаточно жесткие ограничения на ходовые качества платформы мобильного комплекса.

Мобильный робототехнический комплекс может использоваться также для строительных работ, саперных работ, поисково-спасательных операций, ликвидации последствий ЧС техногенного характера, работы в зонах химического и радиоактивного заражения, для механизации транспортных работ внутри цехов предприятий и складских помещений, перемещения в меж-станочном пространстве, для подвоза грузов непосредственно к рабочим местам на производстве. Управляемые амортизаторы платфор-

мы позволяют увеличивать рабочую зону робота по высоте, что допускает ее использование в качестве дополнительной степени свободы и средства передвижения для промышленных манипуляторов.

1. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП РАБОТЫ РОБОТИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА

Разрабатываемый мобильный роботизированный комплекс включает в себя следующие подсистемы:

1) силовая система (компрессорный агрегат, аккумуляторные батареи);

2) распределительная система (пневмораспределители);

3) исполнительная система (пневмоцилиндры с датчиком перемещения, пневморессоры, сервоприводы колес);

4) система аутригеров (стандартные пневмоцилиндры);

5) система управления (контроллеры, двухосевой гироскоп);

6) дополнительное оборудование (промышленный робот).

Структурная схема системы управления мобильного робототехнического комплекса представлена на рис.1.

Компрессорный агрегат создает рабочее давление в пневмосистеме, он включается автоматически при понижении давления в ресивере до

0,8 МПа.

За выдачу управляющих сигналов на контроллер пневматического оборудования, промышленный робот и сервоприводы колес платформы отвечает контроллер платформы, в который поступает цифровой сигнал отклонения платформы от горизонтального положения с двухосевого гироскопа и в котором записана программа или алгоритм работы универсальной мобильной платформы. Цифровые сигналы управления контроллера платформы преобразуются в аналоговые и подаются на соответствующее оборудование контроллером пневматического оборудования. Контроллер пневматического оборудования обладает функциями контроллера положения (замкнутый контур) и управления позиционированием (открытый контур).

При установке платформы в горизонтальное положение аналоговый сигнал с контроллера пневматического оборудования поступает

на координатный интерфейс соответствующих управляемых амортизаторов, далее он идет на пятилинейные многопозиционные золотниковые распределители 1 с пропорциональным электромагнитным управлением.

Сигнал управления распределителя по напряжению 0 ... 10 В поступает от контроллера на электромеханический преобразователь. Золотник пропорционального распределителя плавно смещается в рабочее положение с заданной скоростью (в программе управления задается скорость движения исполнительного механизма), газ под давлением начинает поступать в полость пневмоцилиндра 1, тем самым, вызывая движение поршня цилиндра. Сигнал обратной связи поступает с датчика перемещения, механически связанного со штоком пневмоцилиндра и идёт через координатный интерфейс в контроллер пневматического оборудования. При остановке платформы для выполнения ответственной или длительной технологической операции используется система аутригеров, чтобы исключить собственную вибрацию пневморессор. Один и тот же аналоговый сигнал управления с контроллера пневматического оборудования поступает на все пропорциональные распределители 2 системы аутригеров, давление подается в полости пневмоцилиндров 2 и платформа устанавливается на опоры. Давление в пневморессорах контролируется датчиками давления, сигнал с которых поступает в контроллер пневматического оборудования и регулируется в зависимости от загруженности платформы выдачей управляющих сигналов на регуляторы давления.

Схема пневматическая принципиальная мобильного роботизированного комплекса представлена на рис. 2.

Компрессор 7 с приводным двигателем всасывает воздух из атмосферы через заборный фильтр и нагнетает в ресивер 18 через обратный клапан 9 и блок подготовки воздуха 1 (фильтр-влагоотделитель, регулятор давления, фильтр грубой очистки, фильтр тонкой очистки). Воздух поступает в ресивер, который аккумулирует пневмоэнергию и сглаживает пульсацию давления. В нем происходит охлаждение воздуха и конденсация некоторого количества влаги, которая по мере накопления удаляется вместе с механическими примесями через вентиль 3. Ресивер оборудуется одним блоком обратных и предохранительных клапанов 11 и манометром 8.

12 15 %

Рис. 1. Структурная схема управления мобильного роботизированного комплекса

Датчик

перемещения

Аналоговый сигнал с датчика перемещения

Координатный

интерфейс

Сигнал управления

Сигнал одратной связи

Пнеймоцилиндр ,

Подача

воздуха

Пропорциональный 1

Сигнал управления распределителем 2

Сигнал и

Величина давления

Компрессорный

агрегат

воздуха

Пнеймоцилиндр 2

Подача

воздуха

Пропорциональный распределитель 2

ПнеЬморессора

Подача воздуха

- Регулятор 1 1

Датчик дайления

Контроллер пнебмати-ческого оборудования

Сигнал управления

Контроллер платформы

Сигнал одратной связи Сигнал управления ' ' " и колес

'игнал обратной связи

СерВолриВоды колес

Отклонение от горизонтального

положения по осям X и У

ййухосеЬой гироскоп

Faпuc ШОчА

Рис. 2. Схема пневматическая принципиальная

Обратный клапан 9 исключает возможность резкого падения давления в пневмосети при отключении компрессора. Сигнал обратной связи поступает с датчика перемещения 5 и идет в контроллер пневматического оборудования. Электрические сигналы поступают на пропорциональные распределители 13. Пневмозамки 10 препятствуют самопроизвольному движению поршней цилиндров за счет внутренних утечек в распределителях. Воздух с распределителей поступает в полости пневмоцилиндров через предохранительные клапаны 6, предназначенные для защиты пневмопривода от перегрузки при резком повышении давления. После установки

платформы в горизонтальное положение для продолжительной работы на распределители 12 поступает дискретный электрический сигнал, в результате чего распределители 12 переключаются в крайнее левое положение и выдвигаются поршни пневмоцилиндров 15 системы аутригеров. Давление в пневморессорах 14 контролируется датчиками давления 4 и регулируется в зависимости от загруженности платформы регуляторами давления 17. Давление в блоке пневморессор 2 постоянное и зависит от массы головки компрессорного агрегата 7, оно также контролируется датчиком давления и регулируется отдельным регулятором давления.

2. математическая модель электропневматического

СЛЕДЯЩЕГО ПРИВОДА

Электропневматический следящий привод (ЭПСП) - привод, в котором выходное звено пневмодвигателя (пневмоцилиндра) отслеживает изменения входного электронного сигнала. ЭПСП включает в себя преобразующий элемент, усилитель сигнала ошибки (УСО), электромеханический преобразователь (ЭМП), пневмораспределитель, пневмодвигатель, датчик обратной связи.

В ЭПСП на вход электронного усилителя сигнала ошибки поступает сигнал рассогласования в виде напряжения, Ц, , которое определяется как разность входного сигнала ЦВХ и сигнала обратной связи ЦОС.

Сигнал рассогласования (сигнал ошибки) и, усиливается по напряжению и мощности в электронном УСО и является регулируемым сигналом, который определяет точность, скорость и напряжение движения следящего привода. Регулируемый сигнал в виде тока управления поступает в обмотки управления ЭМП, далее электрический сигнал преобразуется в давление в диагонали пневмомостика и перемещение золотника. При расчете ЭМП примем следующие допущения:

1. Петля гистерезиса в ЭМП отсутствует, и его механическая характеристика описывается линейным уравнением:

F = Кт I - К• И,

з ЕІ ЕЬ ’

где Кр! - коэффициент усиления силовой характеристики; I - ток управления; КЕЬ - жесткость механической характеристики; И - перемещение якоря.

2. Уравнение перемещения золотника:

Передаточная функция ЭМП:

Ж =

К

ИІ

ЭМП гр2 2

1Я

К,

где Кі = К К1

т = I т я = #

Е!

Е !

- коэффициент передачи ЭМП;

постоянная времени якоря;

ЕЬ

К

£ = _ п_ - коэффициент относительного

2гя крь

демпфирования якоря.

Основное усиление регулируемого сигнала по мощности происходит в золотниковом пневмораспределителе за счет энергии компрессора.

В пневмоцилиндре энергия потока газа преобразуется в механическую энергию поршня.

Математическую модель работы пневмоцилиндра разработана на основе следующих соотношений.

1. Уравнение баланса расходов между распределителем и цилиндром:

где т - коэффициент расхода; В - ширина проточки в гильзе золотника (условный проход); рП -давление питания; рд - перепад давления; р -плотность газа в цилиндре; рСЛ - давление слива; А - эффективная площадь сечения поршня; у - перемещение поршня.

2. Уравнение движения поршня:

т -^1'» = Ар - Я - Е - Ь ^ - С у

41 2

Ж 2

ж

При моделировании переходного процесса, соответствующего перемещению поршня цилиндра на 100 мм хода, время регулирования составило 0.6 с, перерегулирование и установившаяся ошибка отсутствуют.

т3

Л = е - Е - Е

.2 '3 'н 'д ’

где тЗ - масса золотника; Ез - сила, перемещающая золотник; ЕН - усилие нагрузки; Ед - сила демпфирования (трение и противо-ЭДС).

-И ,

Е = Ь  —:

Д эмп —

где ЬЭМП - коэффициент вязкого трения.

Сила внешней нагрузки равна:

Е = с • Ь + Е

ГН ^ п ПД;

где С • И - позиционная нагрузка; ЕПд - пневмо-динамическая сила.

3. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПНЕВМОПОДВЕСКОЙ

Математическая модель интеллектуальной САУ пневмоприводом управляемых амортизаторов мобильного роботизированного комплекса разработана с помощью программы Еи22уРЮ пакета МаЛаЪ, основанной на использовании математического аппарата нечеткой логики (рис. 3).

Нечеткая логика реализована в двух модулях: модуле оценки качества дорожного покрытия и модуле выбора управляющего воздействия на исполнительный механизм - пневмопривод управляемых амортизаторов.

Рис. 3. Математическая модель интеллектуальной

Также в системе управления предусмотрена выдача управляющих воздействий на пневмоцилиндры управляемых амортизаторов для установки и сохранения платформы в горизонтальном положении. Сигнал отклонения платформы от горизонтального положения поступает в виде величины отклонения в градусах по двум осям с интегрального гироскопа.

Входными переменными модуля оценки качества дорожного покрытия являются: количество смещений рабочего органа амортизатора от неровностей дорожного покрытия в единицу времени, величина этих смещений и скорость движения самого мобильного комплекса. Входные данные поступают в модуль оценки качества дорожного покрытия, который на основе базы правил и аппарата нечеткой логики определяет качество дорожного покрытия. На рис. 4 изображена поверхность выхода переменной модуля оценки качества дорожного покрытия.

Рис. 4. Поверхность выхода переменной «Состояние дороги»

Промежуточными переменными являются данные о состоянии дорожного покрытия в те-

САУ пневмоприводом управляемых амортизаторов

кущий и предыдущий моменты времени. Они, в свою очередь, поступают на вход модуля выбора управляющего воздействия, который определяет необходимый в данной ситуации управляющий сигнал. Выходной переменной модуля является управляющее воздействие на пневмопривод управляемых амортизаторов. На рис. 5 изображена поверхность выхода переменной модуля выбора управляющего воздействия в зависимости от переменных «Состояние дороги (/-1)» и «Состояние дороги».

Рис. 5. Поверхность выхода переменной «Управляющее воздействие»

Смоделирован процесс работы управляемых амортизаторов в следующей ситуации:

- постепенный въезд комплекса на наклонную поверхность с перепадом высот 22 мм и 50 мм в продольной и поперечной осях платформы соответственно (рис. 6, а-б);

- использование управляемых амортизаторов в качестве дополнительной степени свободы промышленного робота: вертикальное опускание платформы на 75 мм и последующий подъем на 150 мм (рис. 7).

5 э

а б

Рис. 6. Отклонение платформы от горизонтали в продольной X и поперечной Y осях

тт

1001-----------------т-----------------т-------

50

О

-50

-100'-----‘------'-------‘------‘------

0 1 2 3 4 5

Рис. 7. Дополнительная степень свободы

Суммарное управляющее воздействие на пневмоцилиндры четырех управляемых амортизаторов представлено на рис. 8.

тт тт

Рис. 8. Суммарное управляющее воздействие

тт

8

Рис. 9. Перемещение поршня третьего управляемого амортизатора

Как видно из рисунка, управляющие воздействия на 4-х управляемых амортизатора различны, что объясняется одновременным выравниванием платформы в горизонтальное положение. Процесс работы одного из управляемых амортизаторов представлен на рис. 9.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках данной работы разработаны математические модели пневмопривода управляемых амортизаторов и интеллектуальной САУ пневмоприводом управляемых амортизаторов, конструкция роботизированного комплекса.

Платформа роботизированного комплекса позволяет сохранять заданный уровень пола комплекса при перемещении по неровному и наклонному профилю дороги, преодолевать вертикальные препятствия высотой, определяемой максимальным ходом амортизаторов, реконфигурировать платформу под конкретную задачу и наращивать бортовое оборудование. Максимальная нагрузка на платформу определяется конструкцией амортизаторов и их количеством, величина дорожного просвета регулируется автоматически в зависимости от скорости движения и качества дорожного покрытия и не зависит от массы перевозимого груза и расположения его центра тяжести на платформе.

Частота оценки качества дорожного покрытия и выдачи управляющих воздействий - 1 Гц. Максимальная частота выдачи управляющих воздействий для данной конструкции определяется временем отклика всех элементов и тактовой частотой вычислительного устройства и составляет 5 Гц.

Мобильный роботизированный комплекс является автономным (до 10 ч.) с возможностью подключения к централизованному энергоснабжению с целью экономии заряда аккумуляторных батарей.

При данной конструкции комплекс обеспечивает горизонтальный уровень пола при угле наклона дорожного покрытия 25° и максимальную скорость передвижения 7.24 км/ч.

Несомненный плюс разработанной платформы - ее модульная конструкция, позволяющая легко и быстро модифицировать платформу:

• благодаря универсальному крепежному инструменту на платформу комплекса можно устанавливать практически любой объект, даже с весьма сложной геометрией, что существенно упрощает работу;

• наличие промышленного робота со сменным инструментом позволит резко сократить количество промышленных роботов и транспортных линий, обслуживающих технологическое оборудование, благодаря мобильности платформы;

• возможность изменения габаритов платформы позволяет увеличить разнородность и количество перевозимых грузов;

• возможность установки систем видеонаблюдения без существенной потери качества изображения вследствие несовершенства дорожного покрытия, высокоточного и хрупкого оборудования;

Все это существенно расширяет область применения таких роботизированных комплексов и круг потенциальных покупателей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Герц Е. В. Пневматические приводы. Теория и расчет. М.: Машиностроение, 1969. 359 с.

2. Ильясов Б. Г., Мунасыпов Р. А., Саитова Г. А., Челушкина Л. П., Распопов Е. В. Исследование пе-

риодических движений в многосвязных системах управления с нечеткими регуляторами в сепаратных подсистемах // Ж. Мехатроника, М.: Машиностроение, 2004. № 8. С. 24-29.

3. Пегат А. Нечеткое моделирование и управление. М: Бином, Лаборатория знаний, 2009. 798 с.

4. Попов Д. Н. Динамика и регулирование гидро-и пневмосистем. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1987. 464 с.

5. Рабинович Л. В., Петров Б. И., Терсков В. Г., Сушков С. А., Панкратьев Л. Д. Проектирование следящих систем. М.: Машиностроение, 1969. 375 с.

6. Рутковская Д., Пилиньский М., Рутковский Л. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы: пер. с польск. И. Д. Рудинского. М.: Горячая линия -Телеком, 2006. 452 с.

ОБ АВТОРАХ

Мунасыпов Рустэм Анварович, проф. каф. техн. кибернетики. Дипл. инженера (УАИ). Д-р техн. наук по системному анализу и управлению (УГАТУ). Иссл. в обл. робототехники.

Целищев Олег Владимирович, асп. той же каф. Дипл. инженера (УГАТУ, 2011). Иссл. в обл. робототехники.