Plik PDF - PAR Pomiary - Automatyka

NAUKA
prof. dr hab. inĪ. Andrzej Milecki
Politechnika PoznaĔska
mgr Marcin Chciuk, mgr inĪ. Paweá Bachman
Uniwersytet Zielonogórski
WYKORZYSTANIE LASEROWEGO CZUJNIKA ODLEGàOĝCI
DO ESTYMACJI SIàY W UKàADZIE STEROWANIA NAPĉDEM
ELEKTROHYDRAULICZNYM DĩOJSTIKIEM DOTYKOWYM
Celem artykuáu jest opisanie bezpoĞredniego ukáadu sterowania serwonapĊdem elektrohydraulicznym z zastosowaniem dĪojstika dotykowego z hamulcem magnetoreologicznym i siáowym sprzĊĪeniem zwrotnym. Na początku artykuáu znajduje siĊ opis ukáadu sterowania opartego na laserowym czujniku poáoĪenia Balluff BOD 6K-RA01-C-02, który sáuĪy do symulacji
siáy obciąĪenia siáownika. W koĔcowej czĊĞci artykuáu pokazane są wyniki badaĔ symulacji
Ğciskania sprĊĪyny oraz procesu áamania.
THE USAGE OF LASER DISTANCE SENSOR FOR FORCE
ESTIMATION IN CONTROL OF ELCTROHYDRAULIC DRIVE
BY HAPTIC JOYSTICK
The article is aimed to testing of haptic joystick with force feedback and magnetorheological
fluid brake used in direct, human control of electrohydraulic servodrive. The paper starts
with the description of the control system based on laser distance sensor Balluff
BOD 6K-RA01-C-02 which is using for piston’s working load simulation. Finally, a research
results for spring compression and breaking simulation are presented.
1. WSTĉP
W napĊdach sterowanych za poĞrednictwem dĪojstików z siáowym sprzĊĪeniem zwrotnym,
w których wykorzystywana jest tzw. technologia haptic, jako elementy mierzące siáĊ oddziaáywania urządzenia na przeszkodĊ uĪywane są czujniki siáy. Są to zwykle elementy drogie i
do tego wraĪliwe na uszkodzenia w przypadku, gdy siáy przekroczą dopuszczalne wartoĞci
krytyczne. Dodatkowo wystĊpuje problem związany z ich zamontowaniem na elemencie wykonawczym. W przypadku, gdy sterowane urządzenie umieszczone jest w znanym Ğrodowisku zewnĊtrznym, w którym wykonuje np. przesuwanie znanej masy albo zginanie znanego
elementu, czujnik siáy moĪna zastąpiü np. czujnikiem poáoĪenia, który dostarczy informacji o
odlegáoĞci elementu wykonawczego od elementu, na którym bĊdzie wykonywana operacja
technologiczna. Sygnaá siáy moĪna wtedy wygenerowaü na podstawie wartoĞci staáej zapisanej w sterowniku. W niniejszym artykule opisano sterowanie napĊdem elektrohydraulicznym
za poĞrednictwem jednoosiowego dĪojstika dotykowego [2, 3, 4, 6, 7, 8]. Jako element wywoáujący siáĊ oporu ruchu ramienia wykorzystano hamulec magnetoreologiczny (MR) [1, 5].
Na elemencie wykonawczym napĊdu (táoczysku) zamontowano laserowy czujnik odlegáoĞci,
którego sygnaá wyjĞciowy wykorzystano do sterowania hamulcem MR dĪojstika.
754 Pomiary Automatyka Robotyka 2/2011
NAUKA
2. OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO I CZUJNIKA ODLEGàOĝCI
W badaniach zastosowano napĊd elektrohydrauliczny skáadający siĊ z dwustopniowego zaworu proporcjonalnego typu KHDG5V firmy Vickers poáączonego z siáownikiem o Ğrednicy
táoka 90 mm i skoku 400 mm. Na wejĞcie karty podawany byá pochodzący z jednoosiowego
dĪojstika sygnaá poáoĪenia jego ramienia o zakresie 0–5 V. W samym dĪojstiku zastosowano
obrotowy hamulec z cieczą magneto reologiczną. ObciąĪenie siáownika stanowiá liniowy hamulec magnetoreologiczny (MR), którego siáa oporu mogáa byü zmieniana poprzez zmianĊ
napiĊcia elektrycznego. Pozwalaáo to na symulowanie obciąĪenia np. typu sprĊĪyna, przesuwana masa albo zginanie plastyczne. PomiĊdzy táokiem siáownika a hamulcem liniowym zamontowano czujnik siáy, który sáuĪyá do wstĊpnych pomiarów siá generowanych przez hamulec liniowy. Przebiegi te zarejestrowano i zapisano w pamiĊci sterownika. Dla celów pomiarowych zamontowano równieĪ transformatorowy czujnik do pomiaru poáoĪenia táoczyska
oraz przeáącznik kraĔcowy zaáączany w momencie kontaktu táoczyska z obciąĪeniem, tutaj
hamulcem liniowym MR. Na rys. 1 pokazano widok omówionych wyĪej elementów, zamontowanych na stanowisku pomiarowym.
Laserowy czujnik
odlegáoĞci
KraĔcówka
NapĊd
hydrauliczny
Czujnik siáy
ObciąĪenie-hamulec MR
Rys. 1. Widok stanowiska badawczego
Do pomiarów odlegáoĞci táoczyska badanego serwonapĊdu od obciąĪenia czyli hamulca
MR zastosowano czujnik laserowy firmy Balluff typu BOD 6K-RA01-C-02 (rys. 2a) o zakresie pracy do 100 mm i analogowym napiĊciu wyjĞciowym 0–10 V. W związku z tym, Īe w
początkowej czĊĞci charakterystyki (rys. 2b) czujnik wykazuje duĪą nieliniowoĞü przyjĊto, Īe
gáówny zakres pracy bĊdzie wynosiá od 40 do 80 mm. Czujnik zostaá tak umieszczony, aby
punkt zderzenia táoczyska siáownika z przeszkodą znalazá siĊ w odlegáoĞci 40 mm.
2/2011 Pomiary Automatyka Robotyka
755
NAUKA
NapiĊcie [V]
Zakres
pracy
OdlegáoĞü [mm]
Rys. 2. Widok (a) i charakterystyka laserowego czujnika Balluff BOD 6K-RA01-C-02 (b) [9]
40
35
Fd [N]
30
25
20
15
10
5
L [mm]
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Rys. 3. Charakterystyka siáy oporu dĪojstika Fd w zaleĪnoĞci od generowanego przez czujnik laserowy sygnaáu
odlegáoĞci od przeszkody L
Sygnaá pochodzący z czujnika laserowego byá przekazywany za poĞrednictwem karty
wejĞü analogowych do sterownika komputerowego, który na jego podstawie generowaá sygnaá sterujący cewką hamulca obrotowego MR zamontowanego w osi dĪojstika. CharakterystykĊ siáy generowanej na dĪojstiku Fd w zaleĪnoĞci od sygnaáu odlegáoĞci od przeszkody L,
generowanego przez czujnik laserowy pokazano na rys. 3.
3. BADANIA DOĝWIADCZALNE
Gáównym zagadnieniem, jakie chciano rozpoznaü podczas badaĔ byáo to, czy zastosowanie
czujnika laserowego umoĪliwi przekazanie operatorowi podobnych odczuü, jak przy zastosowaniu czujnika siáy. Badania ograniczono do procedury Ğciskania sprĊĪyny. Podczas pomiarów nie montowano na stanowisku hydraulicznym rzeczywistej sprĊĪyny ze wzglĊdów
bezpieczeĔstwa (mogáaby ona pĊknąü lub wyrwaü siĊ). ZastĊpowano ją liniowym hamulcem
MR. Ukáad sterowania wykonany w programie Simulink pokazany jest na rys. 4. W pierwszym etapie badaĔ symulowano obciąĪenie liniowe, którego wartoĞü moĪna opisaü zaleĪnoĞcią
Fsym=k˜y
(1)
gdzie: Fsym – symulowana na podstawie poáoĪenia siáa oporu ruchu táoczyska, k – wspóáczynnik sprĊĪystoĞci sprĊĪyny, y – poáoĪenie táoka siáownika.
756 Pomiary Automatyka Robotyka 2/2011
NAUKA
10
polsilo
Gain 4
NapiĊcie zaworu
proporcjonalnego
To Workspace 1
PoáoĪenie siáownika
Analog
Input
1
Analog Input 2
Advantech
PCI -1716 [ auto]
Analog
Output
5
Gain 1
Gain 10
Analog Output 1
Advantech
PCI -1716 [ auto]
PoáoĪenie dĪojstika
Analog
Input
2
Analog Input 3
Advantech
PCI -1716 [ auto]
napzawor
Gain 3
To Workspace 3
50
poldzoj
Gain 5
To Workspace 2
time
Clock
To Workspace 6
NapiĊcie hamulca MR
dĪojstika
Sygnaá z czujnika
odlegáoĞci
Analog
Input
Analog
Output
-. 8
Analog Input 5
Advantech
PCI -1716 [ auto ]
Gain 6
Analog Output 2
Advantech
PCI -1716 [ auto ]
5.3
Constant 2
sym _ sily
To Workspace 9
Rys. 4. Ukáad sterowania wykonany w programie Simulink
250
yd ys [mm]
200
yd
150
100
ys
50
t [s]
0
0
40
30
1
2
3
4
5
6
7
Fd [N]
Fsym [kN]
Fd
20
Fsym
10
t [s]
0
-10
0
1
Na rysunku 5 przedstawione są przebiegi poáoĪenia
kątowego ramienia dĪojstika yd
i przesuniĊcia táoka siáownika
ys oraz symulowana siáa generowana na podstawie wskazaĔ
czujnika odlegáoĞci Fsym i siáa
na dĪojstiku Fd. Pokazane są
przebiegi dla wysuniĊcia dĪojstika i ruchu powrotnego.
2
3
4
5
6
7
-20
-30
-40
Rys. 5. Przebiegi poáoĪenia dĪojstika i siáownika
oraz siáy symulowanej i siáy na dĪojstiku
Na rys. 6 przedstawione
są przebiegi napiĊcia Ud podawanego na hamulec MR dĪojstika dla róĪnych wartoĞci
twardoĞci sprĊĪyny. Widaü na
nim, Īe im wiĊkszy jest wspóáczynnik twardoĞci, tym wiĊkszy jest kąt nachylenia wykresu
do osi czasu i napiĊcie szybciej
osiąga wartoĞü maksymalną.
2/2011 Pomiary Automatyka Robotyka
757
NAUKA
9
Ud [V]
8
7
k=1
6
5
k=2
4
k=5
3
2
1
t [s]
0
0
2
4
6
8
10
Rys. 6. NapiĊcie wychodzące na dĪojstik dla róĪnych sztywnoĞci symulowanej sprĊĪyny
NastĊpnym etapem byáo zasymulowanie procesu áamania. W tym celu uĪyto wyáącznik
kraĔcowy (rys. 1), który w pewnym momencie odáączaá sygnaá z czujnika poáoĪenia sprawiając, Īe wartoĞü symulowanej siáy gwaátownie spadaáa. Podczas spadku siáy zauwaĪono, Īe na
siáowniku powstaáy oscylacje widoczne na rys. 7b.
a)
250
yd ys [mm]
200
150
yd
100
ys
50
b)
7
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
6
5
40
35
30
4
Fd [N]
3
Fsym [kN]
2
Fd
25
1
0
2,58
20
2,63
2,68
2,73
15
Fsym
10
5
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
t[s]
Rys. 7. Wykresy pokazujące symulacjĊ áamania
Ostatnim etapem wykonywanych prac byáo zasymulowanie sprĊĪyny nieliniowej, którą
moĪna opisaü zaleĪnoĞcią
Fsym=k˜(y)2
(2)
Porównanie przebiegów napiĊcia wyjĞciowego podawanego na hamulec MR dĪojstika
dla symulacji sprĊĪyny liniowej i nieliniowej pokazane jest na rys. 8.
758 Pomiary Automatyka Robotyka 2/2011
NAUKA
7
Ud [V]
Ud=k˜y
6
2
Ud=k˜(y)
5
4
3
2
1
t [s]
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Rys. 8. Porównanie przebiegów napiĊcia wyjĞciowego na hamulec MR dĪojstika
dla symulacji sprĊĪyny liniowej i nieliniowej
4. WNIOSKI
Pokazane w artykule wyniki pomiarów pokazują, Īe moĪliwe jest zastosowanie czujnika laserowego do symulowania siá, które przekazywane są operatorowi za poĞrednictwem dĪojstika
typu haptic. DziĊki temu moĪna teĪ przekazywaü informacjĊ o zmianach siáy obciąĪenia napĊdu elektrohydraulicznego. Potwierdza to teĪ opinia operatora, który przy pomocy zmysáu
dotyku równieĪ odczuwaá te zmiany. Zmysá odczuwania siáy oporu u czáowieka nie jest jednak na tyle czuáy na zmiany, Īeby byáo moĪliwe odróĪnienie np. obciąĪenia liniowego od
nieliniowego. NastĊpnym etapem badaĔ bĊdzie zastosowanie w regulatorze zaleĪnoĞci opisanych prawem Webera-Fechnera, które tworzy relacjĊ miĊdzy fizyczną miarą bodĨca a reakcją
ukáadu biologicznego. Prawo to ujawnia zmiany wpáywu na ludzką wraĪliwoĞü bodĨca w
miarĊ przyrostu jego intensywnoĞci. Przewiduje siĊ, Īe pozwoli to na zwiĊkszenie czuáoĞci
systemu i poszerzenie zakresu odczuü operatora.
Praca naukowa finansowana ze rodków na nauk w latach 2010-2012 jako projekt badawczy
pt. "Zastosowanie metod sztucznej inteligencji do nadzorowania pracy urz dze mechatronicznych
z nap dami elektrohydraulicznymi sterowanymi bezprzewodowo"
LITERATURA
1. Paweá Bachman, Zastosowanie cieczy MR w dĪojstikach typu "haptic", Ciecze elektro- i magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w technice, PoznaĔ, 2010.
2. Andrzej Milecki, Paweá Bachman, Konstrukcja i badania urządzeĔ zadających i dotykowych z cieczami magnetoreologicznymi i z siáowym sprzĊĪeniem zwrotnym – podsumowanie projektu badawczego, Wspóáczesne problemy techniki, zarządzania i edukacji, Zielona Góra, 2008.
3. Andrzej Milecki, Paweá Bachman, Marcin Chciuk, Wykrywanie kolizji w teleoperatorze z interfejsem dotykowym i systemem wizyjnym, Pomiary, Automatyka, Robotyka,
nr 2, 2010.
4. Piotr Gawáowicz, Marcin Chciuk, Paweá Bachman, Algorytmy sterowania napĊdem
elektrohydraulicznym przy pomocy wahadáowego dĪojstika dotykowego z cieczą MR
2/2011 Pomiary Automatyka Robotyka
759
NAUKA
5.
6.
7.
8.
9.
w ukáadzie z siáowym sprzĊĪeniem zwrotnym, Pomiary, Automatyka, Robotyka, nr 2,
2009.
Paweá Bachman, Andrzej Milecki, MR haptic joystick in control of virtual servo
drive, Journal of Physics: Conference Series, Vol. 149, 2009.
Piotr Gawáowicz, Marcin Chciuk, Paweá Bachman, Robot sterowany trzyosiowym
dĪojstikiem dotykowym z cieczą magnetoreologiczną, Pomiary, Automatyka, Robotyka, nr 2, 2009.
Paweá Bachman, Siáowe sprzĊĪenie zwrotne w hydraulice, Hydraulika i Pneumatyka,
nr 2, 2009.
Paweá Bachman, Sterowanie napĊdem elektrycznym za pomocą dĪojstika dotykowego
z cieczą magneto reologiczną, Zeszyty Naukowe Politechniki PoznaĔskiej, nr 8, PoznaĔ, 2008.
Dokumentacja czujnika poáoĪenia Balluff BOD 6K-RA01-C-02 dostĊpna pod adresem: www.balluff.com/Balluff/Documents/manuals/821913_DE_EN_FR.pdf.
760 Pomiary Automatyka Robotyka 2/2011