Plik PDF - PAR Pomiary - Automatyka
Transkrypt
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=ky (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=ky 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