Отсюда возникают специальные математические, алгоритмические и технические задачи управления.

Для планирования заданного движения мехатронной системы необходимо решить обратную задачу о положении механизма. Суть данной задачи состоит в определении требуемых перемещений звеньев системы по заданному закону движения рабочего органа.

Рассмотрим постановку обратной задачи для станка-гексапода (рис 4.6, 4 7). Оператор или компьютер верхнего уровня задает желаемое положение инструментальной головки в базовой (декартовой) системе координат OXYZ. Рабочий орган как твердое тело имеет в пространстве шесть степеней свободы (рис 5.1). Следовательно, его положение и ориентация однозначно определяются шест компонентным вектором:

X = col(xp,yp,zp,ax,ay,az)       (5.1)

Первые три компоненты данного вектора – это декартовые координаты полюса Р рабочего органа, а три последние представляют собой углы (например, эйлеровы углы), определяющие ориентацию связанной с рабочим органом системы координат PXnYnZn относительно базовых осей. Обозначим как вектор-столбец обобщенных координат механизма

q = col(q1,q2,…,qn)

величины перемещений шести винтов ШВП. Тогда компоненты вектора однозначно можно найти по вектору обобщенных координат (прямая задача о положении механизма):

X=f(q)                                                       (5.2)

Тогда обратная задача о положении механизма состоит в решении системы (5.2) относительно вектора обобщенных координат:

q=f-1(X)                                                                                             (5.3)

Математически аналогично выглядит постановка обратной задачи о положении рабочего органа для манипуляционных механизмов. Например, для манипулятора PUMA-560 в качестве обобщенных координат принято выбирать углы поворота соответствующих шарниров (рис 5.2): ql – поворот колонны, q2 – качание плеча, q3 – качание локтя, q4,q5 и q6 – повороты кистевых степеней подвижности.

Указанная структура объекта управления определяет требования и постановку задачи управления мехатронными системами рассматриваемого класса. Очевидно, что воспроизведение заданных движений мехатронными модулями основывается на выполнении классических требований теории управления: устойчивости, точности и качества процесса управления. Однако дополнительно необходимо учитывать следующие специфические особенности мехатронных систем:

I.  Движение рабочего органа как конечного управляемого звена обеспечивается взаимосвязанными (кинематически и динамически) перемещениями нескольких исполнительных приводов и звеньев механического устройства

II.  Задача управления мехатронной системой должна быть решена в пространстве (те найдены оптимизированные траектории движения всех звеньев, включая рабочий орган) и во времени (те определены и реализованы желаемые скорости, ускорения и развиваемые усилия для всех приводов системы)

III.  Для   многих   технологических   задач   параметры   внешних и возмущающих    воздействий, приложенных к рабочему органу и отдельным мехатронным модулям, заранее не определены.

IV.  Сложность   построения   адекватных   математических моделей мехатронных   систем   традиционными   аналитическими методами (особенно    прецизионных    многосвязных   систем, включающих динамическую модель технологического процесса). Структурно   мехатронные   системы   являются   многомерными и многосвязными системами. Размерность задачи управления в мехатронике определяется числом независимо управляемых приводов системы. В случае общего механизма исходно задается желаемое движение рабочего органа, а реализуется оно совокупными перемещениями всех звеньев.

Постановку проблемы будем рассматривать применительно к мехатронным системам, которые используются в производственных машинах и комплексах автоматизированного машиностроения как основное технологическое оборудование. К таким системам управления предъявляются, как правило, весьма жесткие требования, так как режимы управления определяют ход технологического процесса и, следовательно, качество получаемого изделия. Именно задачи компьютерного управления технологическими машинами, которые не могли быть решены на базе традиционных подходов, стимулировали разработку и внедрение в практику принципиально новых методов управления.

Как было отмечено в гл 2, в общем случае в мехатронике ставится задача управления координированными функциональными движениями машин. Однако в данном пособии ограничимся рассмотрением вопросов управления только механическими движениями мехатронных систем.

Обратимся к блок-схеме машины с компьютерным управлением (рис 2.2, 2.4). Задача управления машиной состоит в исполнении желаемого движения рабочего органа, который целенаправленно действует на объект работ, испытывая при этом со стороны внешней среды возмущающее воздействие. Следовательно, в общем случае объектом управления в мехатронике является сложная многосвязная система, в состав которой входят:

- комплекс исполнительных приводов,

- механическое устройство с рабочим органом,

- блок сенсоров,

- объект работ, с которым взаимодействует рабочий орган.

При этом отдельные блоки и устройства могут быть интегрированы в мехатронные модули (гл. 2 и 3). Включение в рассмотрение процесса взаимодействия рабочего органа и внешних объектов (например, для операций сборки, механообработки, водоструйной резки) позволяет организовать технологически ориентированный процесс управления, учитывающий характер и специфику данною взаимодействия я конкретно поставленной задаче.

Цель данной главы – ввести читателя в круг современных проблем управления мехатронными модулями и системами. Естественно, что даже конспективно объять тематику управления в мехатронике в одной главе невозможно. Поэтому а начале акцентируем внимание на особенности постановки задач и организации систем управления. Далее конспективно перечистим общие признаки интеллектуальных систем управления движением (п. 5.2) и рассмотрим конкретные примеры (п.5.3), иллюстрирующие применение новых подходов и методов управления в мехатронике.

Материал подобран таким образом, что для его освоения достаточно знания теории управления в объеме типового общепрофессионального курса. При этом предполагается, что общие теоретические проблемы интеллектуального управления, вопросы синтеза цифровых систем управления, способы их программно-аппаратной реализации в реальном времени, построения математических и компьютерных моделей управляемых мехатронных модулей, управления и программирования распределенных систем будут рассмотрены в специальных учебных курсах.

Мехатронные модули находят все более широкое применение в различных транспортных системах. В данном пособии ограничимся кратким анализом только легких транспортных средств (ЛТС) с электроприводом (иногда их называют нетрадиционными). К этой новой для отечественной промышленности группе транспортных средств относятся электровелосипеды, роллеры, инвалидные коляски, электромобили с автономными источниками питания. Разработку таких мехатронных систем ведет Научно-инженерный центр "Мехатроника" в кооперации с рядом организаций.

ЛТС являются альтернативой транспорту с двигателями внутреннего сгорания и используются в настоящее время в экологически чистых зонах (лечебно-оздоровительных, туристических, выставочных, парковых комплексах), а также в торговых к складских помещениях. Рассмотрим технические характеристики опытного образца злектровелосипеда:

- максимальная скорость 20 км/час,

- номинальная мощность привода 160 Вт,

- номинальная частота вращения 160 об/мин,

- максимальный крутящий момент 18 Нм,

- масса двигателя 4,7 кг,

- аккумуляторная батарея 36В, 6 А*ч,

- максимальная нагрузка 120 кг,

- движение в автономном режиме 20 км.

Основой для создания ЛТС являются мехатронные модули типа "мотор-колесо"’ (см п.3.4) на базе, как правило, высокомоментных электродвигателей. В табл.З приведены технические характеристики мехатронных модулей движения для легких транспортных средств.

Мировой рынок ЛТС имеет тенденцию к расширению и по прогнозам его емкость к 2000 году составит 20 млн единиц или в стоимостном выражении 10 млрд. долларов.

Примером отечественной технологической машины-гексапода является прецизионное оборудование, предлагаемое АО ”ЛАПИК” (г. Саратов). Фирма выпускает на единой конструктивной базе гексаподы двух типов к координатно-измерительные машины (КИМ) и технологические модули (ТМ) для механообработки.

Технологические модули предназначены для фасонной обработки с высокой точностью изделий методами фрезерования, шлифования, сверления, полирования, а также для выполнения операций гравировки, растачивания, разметки. Рабочая зона гексаподов-ТМ варьируется у различных моделей в диапазонах: по оси X – от 500мм до 3000 мм, по оси Y – от 400 мм до 1400 мм, по оси Z – от 350 мм до 750 мм. Максимальный угол поворота подвижной платформы относительно каждой из осей составляет в серийных моделях 30 град, скорость ее движения управляется программно в интервале 0.01-120 мм/с.

Гексаподы имеют весьма эффективные малогабаритные показатели по сравнению со станками традиционной компоновки. Так, ГМ-500 при габаритах 1800×1550x2300 мм имеет массу 2800 кг, а наиболее мощный ТМ-3000 имеет габариты 5000×3500x3800 мм при массе 6500 кг. На ТМ устанавливаются мехатронные модули типа "мотор – шлиндель" мощностью от 1,5 кВт до 5 кВт с регулируемой частотой вращения в диапазонах 200-12000 об/мин, либо 600-24000 об/мин.

КИМ выполняют автоматические измерения и контроль размеров деталей (в том числе легкодеформируемых изделий) от конструкторских или технологических баз. Погрешности измерений для КИМ-500 (машина базового исполнения) не превышают 0.8 мм (линейные измерения, размер L=300мм) и 1.5 мм для пространственных измерений (L=250 мм). В

машинах специального прецизионного исполнения эти показатели достигают соответственно 0.З мм и 0.5 мм (при размерах L=500мм). Измерения выполняются с помощью специальной головки-щупа, оснащенной датчиками механического или токового касания. Контактное усилие при токовом касании не превышает 0.0003 Н, что позволяет измерять податливые и мелкоструктурные детали.

Дальнейшее развитие технологических машин-гексаподов связано с применением интеллектуальных линейных мехатронных модулей, а также с созданием эффективного математического и программного обеспечения для решения задач планирования и управления их движением в реальном времени.

Мехатронный подход положен в основу машин с концептуально новым принципом построения – так называемых гексаподов. Эти технологические машины (станки, координатно-измерительные машины, роботы) имеют стержневую конструкцию и построены на мехатронных модулях линейного движения (см.п.3.3), в основу их конструктивной схемы лежит платформа Стюарта.

Станок-гексапод (рис.4.6) выполнен на базе линейных мехатронных модулей 2, которые осуществляют осевое перемещение винтов через шарико-винтовые передачи (ШВП). Один конец ШВП соединен безлюфтовым шарниром с нижней платформой 1, а другой – с подвижной верхней платформой 4, на которой расположен рабочий орган – инструментальная головка 3. Управляя положением винтов (рис.4.7), можно обеспечить пространственное перемещение рабочего органа по шести степеням свободы (отсюда и название станка "гекса"- означает "шесть” по-гречески). Основными преимуществами гексаподных машин являются:

-  сокращение времени подготовки производства и повышение его рентабельности за счет объединения обрабатывающих, разметочных и измерительных функций в единой мехатронной системе;

-  высокая точность измерений и обработки, которая обеспечивается повышенной жесткостью стержневых механизмов (до 5 раз), применением прецизионных датчиков обратной связи и лазерных измерительных систем, использованием компьютерных методов коррекции (например, тепловых воздействий);

-  повышенная скорость движений (скорость быстрых перемещений достигает 10 м/с, рабочих движений – до 2,5 м/с);

-  отсутствие направляющих (в качестве несущих элементов конструкции используются приводные механизмы), отсюда улучшенные массогабаритные характеристики и материалоемкость;

- высокая степень унификации мехатронных узлов, обеспечивающая технологичность изготовления и сборки машины и конструктивную гибкость;

- высокое качество управления движением благодаря малой инерционности механизмов, применению линейных мехатронных модулей движения как объектов управления, использованию методов автоматизированной подготовки и исполнения в реальном времени управляющих программ, наличию дружелюбного интерфейса "человек – машина".

Задача программирования движения манипулятора решается в четыре основных этапа, при этом первые два выполняются на ЭВМ верхнего уровня, что позволяет не выключать РТК из производственного процесса.

Этап 1. Разработка компьютерной модели детали в среде Auto CAD. С помощью САПР конструктора выполняется чертеж обрабатываемой детали, либо выбирается стандартная графическая модель из библиотеки. Компьютерная модель записывается в файл в формате DXF или IGES.

Этап 2. Планирование движений робототехнической системы.

В качестве базового программного обеспечения использован интерактивный пакет MASTERCAM, позволяющий в режиме диалога задавать траекторию движения и желаемую ориентацию рабочего органа в декартовой системе координат, закон движения во времени, команды на вспомогательное   технологическое   оборудование. При   этом могут применяться  проверочные  и  оптимизационные  процедуры, которые учитывают кинематические, динамические, энергетические   и другие особенности конкретного манипулятора. Полученный файл во внутреннем формате   NCI   далее   поступает для   обработки   на постпроцессор. Постпроцессор – это специальная программа, которая автоматически генерирует управляющую программу, готовую для загрузки и исполнения устройством управления робота (в данной системе внутренним языком является ARPS).

Этап 3. Автоматическая загрузка управляющей программы. На этом этапе осуществляется пооператорная загрузка программы в устройство управления "Сфера-36". При этом стойка управления и компьютер соединены через последовательный порт по протоколу RS-232.

Этап 4. Исполнение программы

Для начала выполнения программы необходимо выполнить привязку системы координат, задав в режиме дистанционного обучения исходную точку в рабочей зоне робота, Затем происходит автоматическое выполнение функционального движения, при этом сила резания поддерживается на заданном уровне за счет регулирования контурной скорости рабочего органа (подробно алгоритм управления рассмотрен в гл.5).

Период выдачи управляющих сигналов из приводы робота составляет для "СФЕРЫ-36" – 64 мс, для "СФЕРЫ-56" – 16 мс. Тогда частоты расчета уставок для команды перемещения равны 15,6 Га и 62,5 Гц соответственно. Этот частотный диапазон ограничивает спектр внешних силовых воздействий в процессе выполнения роботом операций, к влиянию которых система может эффективно адаптироваться. При операциях механообработки, для которых характерна пропорциональная зависимость между силой резания и скоростью подачи инструмента, указанное ограничение определяет допустимую контурную скорость движения.

Программирование движений технологического робота проводится автоматизированно с помощью специально разработанного комплекса подготовки управляющих программ, блок-схема которого представлена на рис 4.5.

Таким образом, данный робототехнологический комплекс механообработки реализует современную концепцию построения производственных систем типа CAD/САМ, когда автоматизированное проектирование изделия и его автоматическое изготовление интегрированы в единую систему и задача пользователя состоит только в подготовке исходной компьютерной модели детали. Можно провести аналогию между мехатронным принципом объединения элементов, который рассмотрен в гл.2, и концепцией CAD/САМ, где методология интеграции воплощена на высоком системном уровне.

Рис.4.5. Блок-схема комплекса программирования движений

Устройство силомоментного очувствления (УСМО) состоит из двух функциональных модулей: датчика силы и блока обработки силомоментной информации. Датчик силы конструктивно выполнен в виде плоских крестообразных пластин, на грани которых наклеены тензорезисторы. Конструкция датчика предусматривает измерение трех компонент вектора силы, действующей на рабочий орган робота силы, перпендикулярной фланцу датчика силы, и двух моментов в плоскости фланца (Мх и My). В качестве чувствительных элементов выбраны фольговые тензорезисторы типа КФ 5Ш-3200-А12. Датчик изготовлен из алюминиевого сплава Д16-Т, обладающего высоким значением модуля Юнга и малой удельной массой. Блок обработки силомоментной информации предназначен для преобразования сигналов с тензоусилителя в фи информационных сигнала о векторе сил, действующем на рабочий орган. Блок выполнен в виде отдельной платы и установлен в корпус тензоусилителя. Технические характеристики устройства силомоментного очувствления в целом таковы:

-  количество измеряемых компонент вектора сил – 3 (осевая нагрузка до 50 Н, поперечные силы по осям X и У до 25 Н на плече 0 12 м),

-  диапазон выходных сигналов для ввода в компьютер от – 5 В до + 5 В, для ввода в "СФЕРУ-З6" 0 – 5 В;

-  погрешность выходного сигнала не более 2% от номинала.

При управлении роботом на операциях механообработки основная функция компьютера состоит в обработке сигналов от датчика силомоментного очувствления и выработке сигналов коррекции движения.

Если датчик сил и моментов содержит встроенный микропроцессор, то организация обмена информацией с компьютером не представляет труда. В противном случае необходимо использовать многофункциональный адаптер (МА), который осуществляет согласование аналоговых и цифровых сигналов с системной шиной компьютера МА представляет собой электронный модуль (плату), вставляемый в слот IBM PC. Адаптер содержит следующие функциональные узлы аналого-цифровой преобразователь с коммутатором на входе, цифро-аналоговый преобразователь, устройство параллельного ввода-вывода и таймер. Серийный комплект устройства управления "Сфера-36" не имеет возможности ввода и обработки аналоговой информации. Поэтому на базе стандартного модуля аналогового ввода (МАВ) этой стойки управления был реализован контроллер ввода аналоговых сигналов с силомоментного датчика. Шесть каналов модуля МАВ служат для ввода сигналов с потенциометрических датчиков, расположенных в степенях подвижности манипулятора. Оставшиеся два канала АЦП, которые в штатном режиме используются для тестирования системы, переведены в режим связи с внешними задатчиками сигналов. Связь между устройством управления "СФЕРА" и компьютером обеспечивается специальными драйверами.