Контроллёр позволяет реализовывать следующие виды управляемых движений:

- позиционное управление;

- перемещение по пространственным (3D) траекториям с линейной интерполяцией;

- контурные движения с круговой и сплайновой интерполяцией;

- копирующие движения.

Основные технические характеристики контроллера движения период расчета управляющего сигнала (по одной оси) 62.5 мкс, диапазоны управления:

по скорости 0-16 Мега имп/с,

по перемещению 0 – 2 147 483 647 имп,

по ускорению 0-134 217 728 имп/с2;

максимальные ошибки управления:

позиционная ошибка ± 1 имп (для инкодера в обратной связи), 0049 В (для аналоговой обратной связи),

скоростная ошибка 0.02%,

дискретные входы/выходы     24 бит, 22 линии,

аналого-цифровое преобразование 8 линий, 12 бит, 10 мкc, ± 10В,

цифро-аналоговое преобразование 16 бит, ± 10 В,

выход широтно-импульсного модулятора 0,5-32 Кгц.

Архитектура типа "встраиваемый контроллер" заключается в использовании персонального компьютера (PC) в качестве аппаратной

платформы устройства управления движением. Это позволяет сочетать функции планирования и управления функциональными движениями мехатронными модулями и системами, сбора и обработки информационно-измерительных данных в аппаратно и программно едином устройстве. Важным с точки зрения пользователя достоинством такого подхода является интеграция стандартных операционных систем и программных средств (AutoCAD, Excel, Windows NT/95/3.1, С++ к т.п.) с системами программирования движений. Объединение управляющих компьютеров в сеть дает возможность создавать распределенные управляющие комплексы для задач автоматизации производственных ячеек, цехов и предприятий. При этом модульная архитектура на базе PC промышленного исполнения гарантирует эффективную защиту аппаратной части от тепловых, вибрационных и других воздействий производственной среды.

Технически встраиваемые контроллеры движения выпускаются в визе специальных плат (plug-in card), устанавливаемых в дополнительный слот PC. Обмен данными между контроллером и PC осуществляется через стандартную шину (обычно 32-битная) адреса и данных. Примерами типичных шин могут служить стандарты ISA, STD, VME и ГВМ-РС Bus. На плате контроллера также имеются необходимые разъемы для подключения силового преобразователя привода, датчиков обратной связи (аналоговых и цифровых), внешних устройств с дискретным входом/выходом. Примером серийно выпускаемого в настоящее время встроенного контроллера движения является модель PCI-FlexMotion-6C фирмы National Instruments (USA). Устройство позволяет одновременно управлять движением мехатронной системы по шести координатам с обратной связью и дополнительно по двум осям в шаговом режиме. В состав контроллера входят мощный многозадачный процессор Motorola real-time 32-bit, цифровой сигнальный процессор (DSP-processor) фирмы Analog Device, многоканальные аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи, интерфейсы для внутренних и внешних коммуникаций.

При создании интеллектуального мехатронного модуля возможны два базовых варианта аппаратной архитектуры УКУ:

-  использование компьютера верхнего уровня и контроллера движения как отдельных устройств, соединенных стандартным интерфейсом (в этом случае контроллер является внешним блоком по отношению к компьютеру),

-  моноблочная структура, когда контроллер аппаратно устанавливается внутрь компьютера ("встраиваемый контроллер"),

Данные аппаратные схемы имеют различные области предпочтительного применения. Архитектуру типа "внешний контроллер" целесообразно использовать в больших мехатронных системах, состоящих из нескольких многокоординатных управляемых машин (станков, роботов, вспомогательного оборудования). В таких системах компьютер выполняет функции сервера, решая задачи планирования движений, диспетчирования и управления работой всех контроллеров комплекса. Архитектура на базе встраиваемых контроллеров ориентирована на задачи координирован но го управления движением нескольких мехатронных модулей, входящих в состав как правило одной мехатронной системы (например, технологического робота для лазерной резки, который описан в гл.4).

Блок-схема УКУ с внешним контроллером движения приведена на рис 3.8. Гибкость управления обеспечивается применением микропроцессора, исполняемая программа управления хранится в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Планирование функциональных движений осуществляется оператором на компьютере верхнего уровня с использованием пакетов прикладных программ. Компьютер выполняет также автоматическую генерацию команд для контроллера, которые поступают на исполнение через стандартный интерфейс (например, RS-232C). Эти команды задают желаемые законы изменения во времени положения, скорости и ускорения вала исполнительного двигателя. Типичным является трапецеидальный закон изменения скорости движения, включающий участки разгона, перемещения с постоянной скоростью и торможения с заданным ускорением (рис.3.8, б).

В качестве примера рассмотрим УКУ с внешним контроллером Compumotor Plus (серия "X"), выпускаемое фирмой Parker (USA), которое предназначено для управления однокоординатными мехатронными модулями. В состав устройства входят:

- контроллер управления движением, реализующий алгоритм цифрового ПИД-регулирования   (коэффициенты   регулятора могут программно изменяться по командам внешнего компьютера),

-  цифро-аналоговый преобразователь,

-  постоянное запоминающее устройство на 40 программ  управления движением,

-  блок дискретных программируемых входов/выходов (3 выхода и 2 входа),

-  стандартный интерфейс RS-232C для связи с компьютером верхнего уровня,

-  интерфейс для преобразования в цифровую форму сигнала от резольвера,

-  панель оператора (монитор и кнопочный пульт).

Основные технические характеристики управляемого движения:

- диапазон скорости 0.0001-50 об/с,

- диапазон перемещения 0-327679 999 имп,

- позиционная ошибка не более 0 200 угл. град,

- повторяемость 0.0334 угл. град.

Для реализации функциональных движений контроллеры имеют также дополнительные входы/выходы для связи с внешним оборудованием (рис.3.7). Как правило, это сигналы, дискретные по форме (I/O). Здесь уместно обратить внимание на очень широкое распространение в промышленных системах автоматики программируемых логических контроллеров (ПЛК). Главная задача ПЛК – это эффективные операции исключительно с дискретной информацией. Поэтому построение на базе ПЛК систем управления движением мехатронными модулями, и тем более мехатронными системами, логически нецелесообразно. Но при этом возможен обмен информацией между контроллерами управления движением и ПЛК через блок дискретных входов/выходов.

Наиболее распространены в настоящее время два метода формирования контроллером убавляющих сигналов для силового преобразователя:

- аналоговые командные сигналы,

- модулированные управляющие сигналы.

Для формирования аналоговых управляющих сигналов необходим цифро-аналоговый преобразователь, который выдаст электрические напряжения (обычно от – 10В до +10В постоянного тока). С энергетической точки зрения выгодным считается метод широтно-импульсного управления силовыми ключами преобразователя.

Примечание. В технических описаниях контроллеров величины перемещений обычно имеют размерность [Имп) (Steps или Counts), а скорости соответственно [Имп/с] (Steps/sec или Counts/sec). Данные значения важны тем, что определяют собственные возможности контроллера без учета параметров датчиков обратной связи. Дм определения параметров движения в системе единиц СИ следует разделить указанные числа на коэффициенты выбранных датчиков. Положим, что стандартный угловой фотоимпульсный датчик (инкодер) имеет коэффициент 5000 Имп/об, а выбранный резольвер коэффициент 65000 Имп/об. Тогда при паспортной характеристике контроллера 1 000 000 имп/с получаем максимальные скорости вращения двигателя соответственно 200 об/с при использовании инкодера и 15.38 об/с при установке резольвера.

Первое из указанных направлений заключается в создании нового поколения компьютерных устройств, позволяющих пользователю гибко и быстро решать весь комплекс задач управления движением модуля.

Укрупненно можно разделить задачу управления движениями мехатронных систем на две основные части: планирование движения и его исполнение во времени Задачу планирования движения и автоматизированного формирования программы управления решает компьютер верхнего уровня, который получает целеуказание от человека-оператора. Функцию расчета и выдачи управляющих сигналов непосредственно на исполнительные приводы выполняет контроллер движения. Таким образом, сочетание компьютера и контроллера в архитектуре УК У является обоснованным с точки зрения разделения решаемых подзадач управления.

Каждому из перечисленных этапов соответствуют определенные уровни в иерархической структуре системы управления, которая рассмотрена в гл 5. В данной же главе рассмотрим варианты архитектуры УКУ, которые применяются в мехатронике.

Лишь в простейших модулях иногда используются сепаратные контроллеры, которые привлекательны для пользователей своей относительной дешевизной. Функции такого контроллера ограничены задачей управления механическим движением по одной координате (редко по двум), некоторые модификации имеют стандартный интерфейс для включения в более сложные управляющие структуры. Однако необходимость программирования непосредственно оператором на языке достаточно низкого уровня (типа BASIC), малое количество каналов связи и ограниченный объем памяти делают этот тип контроллеров неперспективным для многокоординатных мехатронных систем с интеллектуальными методами управления.

Современные контроллеры обычно реализуют управление с обратной связью по положению и/или скорости управляемого механического объекта, т.е. мехатронная система управления является замкнутой на исполнительном уровне. Принцип разомкнутого управления в настоящее время используется только в системах управления шаговыми двигателями. Такие двигатели применяются, например в графопостроителях, плоттерах, поворотных столах и других устройствах, которые не испытывают существенных возмущающих воздействий. В оборудовании автоматизированного машиностроения (металлорежущих станках, технологических роботах) обеспечить приемлемую точность движения можно только используя замкнутые системы управления.

Главной особенностью современного этапа развития мехатронных модулей является интеллектуализация процессов управления, их функциональными движениями. По сути речь идет о разработке принципиально нового поколения модулей, в которых осуществлена интеграция всех трех компонент – электромеханической, электронной и компьютерной. Техническая реализация интеллектуальных мехатронных модулей движения (ИММД) стала возможной благодаря бурному развитию в последние годы микропроцессорных систем, ориентированных на задачи управления движением. Постоянное совершенствование производственных технологий ведет к стабильному снижению стоимости аппаратных средств, что сделало их к настоящему времени рентабельными для практического внедрения.

Рассмотрим общую структуру однокоординатного мехатронного модуля, представленную на рис.2.4. Устройство компьютерного управления (УКУ) имеет два входных информационных канала: интерфейс И1 связывает его с верхним уровнем управления и интерфейс И4 – с сенсорами и один выходной канал (интерфейс И2), через которой поступают управляющие команды на исполнительный привод. Соответственно можно выделить три направления: интеллектуализации мехатронных модулей движения, которые классифицируются в зависимости от интерфейсных точек интеграции:

I. Развитие интегрированных интерфейсов, связывающих управляющий контроллер с компьютером верхнего уровня в единый аппаратно-программный управляющий комплекс (интерфейс И1).

II. Создание интеллектуальных силовых модулей управления путем интеграции управляющих контроллеров и саповых преобразователей (интерфейс И2).

III. Разработка интеллектуальных сенсоров мехатронных модулей, которые дополнительно к обычным измерительным функциям осуществляют компьютерную обработку и преобразование сигналов по гибким программам (интерфейс ИЗ). Рассмотрим тенденции и способы технической реализации УКУ в современных мехатронных модулях.

Рис. 3.5. Мехатронный модуль мотор-шпиндель: 1 – шпиндель, 2 – статор, 3 вентилятор.

Для реализации на станках высокопроизводительных режимов резания разработаны шпиндельные узлы на электромагнитных опорах, которые обеспечивают скорость вращения до 200000 об/мин. Схема шпиндельного узла на электромагнитных опорах (ЭМО) показана на рис 3.6. Частота вращения ротора асинхронного двигателя регулируется изменением частоты питающего напряжения на статоре. Модуль имеет четыре опоры, две радиальные и две осевые. Дополнительным электронным элементом данного мехатронного модуля является система стабилизации положения оси ротора. Под действием возмущающих усилий возникают отклонения в положении ротора, которые измеряются соответствующими осевыми и радиальными датчиками информации. Устройство компьютерного управления, автоматически регулируя силу тока в обмотках возбуждения электромагнитов, поддерживает заданное положение оси ротора, либо изменяет его по желаемому закону ( в пределах зазора в опорах) для получения деталей сложного профиля. Следует, однако, учитывать, что моторы-шпиндели на ЭМО требуют интенсивного охлаждения при длительной работе на высокоскоростных режимах.

В нашей стране участниками Ассоциации инновационного машиностроения и мехатроники ведется создание высокооборотных модулей с максимальной старостью вращения до 250000 обмин и мощностью до 60 кВт для металлорежущих станков, деревообрабатывающих машин, станков ДЛЯ сверления печатных плат.

Модули типа “двигатель – рабочий орган” нашли широкое распространение также в электроприводах различных самоходных средств (электровелосипедов и электромобилей, робокаров и мобильных роботов и т.п.). Так, при разработке тягового привода кресла-коляски в Новосибирском ГТУ использован бесколлекторный высокомоментный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов, встроенный в ведущее колесо без промежуточного механического редуктора. Такие модули получили название “мотор-колесо”. Избранное решение позволило снизить материалоемкость и трудоемкость изготовления привода, обеспечить бесшумность передвижения, уменьшить габариты и высвободить таким образом пространство для размещения источника питания. Привод обеспечивает движение кресла-коляски со скоростью 6 км/час при общей массе 150 кг.

Важным этапом развития мехатронных модулей движения стали разработки модулей типа "двигатель-рабочий орган". Такие конструктивные модули имеют особое значение для технологических мехатронных систем, целью движения которых является реализация целенаправленного воздействия рабочего органа на объект работ.

В станках с относительно небольшим крутящим моментом (токарных малых размеров, консольно-фрезерных, высокоскоростных фрезерных станках) применяются так называемые "моторы-шпиндели". Отличительной конструктивной особенностью этих электромеханических узлов приводов главного движения является монтаж шпинделя непосредственно на роторе двигателя.

На рис 3.5 приведена конструкция модуль "мотор-шпиндель" фирмы "Fanuc" (одна из первых промышленных разработок данного класса), имеющего следующие основные технические характеристики: габариты – 784×338x430 мм, мощность – 5.5 кВт, номинальная скорость – 750 об/мин, максимальная скорость – 4500 об/мин, номинальный момент – 70 Нм. Использование в шпиндельных узлах механических подшипников определило их ограниченные функциональные возможности, в первую очередь при высоких скоростях вращения недостаточный ресурс работы, необходимость смазки пар трения, проблему герметизации.

Рассмотренный в 3.2 мехатронный подход к построению модулей вращательного движения на базе высокомоментных двигателей получил в последние годы свое развитие и в модулях линейного перемещения. Цель проектирования аналогична – исключить механическую передачу из состава ММД.

Мехатронные модули движения на основе линейных высокомоментных двигателей (ЛВМД) находят все большее применение в гексаподах (см.гл.4), высокоскоростных станках (многоцелевых, фрезерных, шлифовальных), комплексах для лазерной и водоструйной резки, вспомогательном оборудовании (крестовых столах, транспортерах).

Традиционные электроприводы линейных перемещений включают в себя двигатель вращательного движения и механическую передачу для преобразования вращения в поступательное движение (шарико-винтовуто передачу (ШВП), зубчатую рейку, ленточную передачу и т.п.). С начала 80-х годов известны разработки собственно линейных двигателей, однако из-за низких удельных силовых показателей они имели ограниченную область применения (графопостроители, координатно-измерительные машины) и в автоматизированном оборудовании не могли быть использованы.

Основные преимущества модулей на базе ЛВМД по сравнению с традиционными линейными приводами:

-        повышение в несколько раз максимальной скорости движения (до 150-210 м/мин) и ускорения (в перспективе до 5g);

-        высокая точность реализации движения;

-        высокая статическая и динамическая жесткость.

Вместе с тем имеется ряд проблем при проектировании и внедрении ЛВМД более высокая стоимость, необходимость использования систем охлаждения ММД (жидкостной или воздушной), относительно невысокий кпд модуля.

Серийно линейные ММД выпускаются в настоящее время рядом ведущих фирм. На международной выставке 12.ЕМО в Ганновере (1997) такие приводы демонстрировали более 20 фирм. В качестве примера рассмотрим технические характеристики ЛВМД, выпускаемых фирмой Krauss Maffei (серия LIMES TS, со специальным охладителем):

максимальное усилие – от 1720 до 14500 Н,

максимальная скорость – до 3.5 м/с,

масса модуля – от 13.1 до 132.9 кг.

По ГИТ программе "Технологии, машины и производства будущего" создаются модули линейного движения с усилием до 20000 Н, скоростью перемещения до 3 м/с и ускорением до 2g, которые ориентированы на применение в металлорежущих станках, промышленных роботах, запирающих устройствах газовых и нефтепроводов.

На рис 3.4 показана конструкция мехатронного модуля Dynaserv Motor, разработанного фирмой PARKER Corp На базе высокомоментного двигателя. В состав модуля входят: ротор двигателя, статор двигателя, подшипник, фотоимпульсный датчик. Вращающейся является внешняя часть модуля, которая базируется на опорных подшипниках. Модули комплектуются также электрическим кабелем.

Перспективными  являются  также  датчики  скорости  и положения, действующие без механического соединения с валом двигателя.

В вашей стране в рамках Государственной научно-технической программы "Технологии, машины и производства будущего” в 1997-99 годах создаются низкооборотные модули вращательного движения с моментом до 2500 Нм, максимальней скоростью до 800 об/мин для поворотных столов станков, измерительных машин, роботов и многоцелевых инструментальных головок.

Также модули данного типа могут применяться в нетрадиционных транспортных средствах: электромобилях, электровелосипедах, инвалидных колясках и т.п.