MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR 3515 Miskolc - Egyetemváros
Tudományos Diákköri Dolgozat
Feladat címe:
Hidraulikus robot továbbfejlesztése
Készítette: Nyikos Dávid BSc szintű, gépészmérnök szakos Szerszámgépészeti és Mechatronikai szakirányos hallgató
Konzulens: Dr. Barna Balázs, tanszéki mérnök
Tartalom Bevezetés ................................................................................................................... 3 1 A hidraulikus robot bemutatása ............................................................................... 4 1.1 A robotkar felépítése ............................................................................................ 4 2 A pozícionálás „Hardware-s” javítása ...................................................................... 5 2.1 Útváltó szelep ....................................................................................................... 6 2.2 Csővezetékek ....................................................................................................... 7 2.2.1 Hidraulikus csőelemek térfogatváltozása ........................................................... 9 3 A pozícionálás „Software-es” javítása ................................................................... 15 3.1Pozícionálás a Compax3F-ben............................................................................ 16 3.1.2 Lökések/ rámpák definiálása ........................................................................... 19 3.1.3 Pozíciósáv – pozícióelérés .............................................................................. 20 3.1.4 Követési hibahatár ........................................................................................... 21 3.1.5 Késleltetési és gyorsulási fázis beállítása ........................................................ 21 3.2 Szabályozás optimalizálása ................................................................................ 22 3.2.1 Szakasz nemlineáris kompenzációja ............................................................... 22 3.2.2 Szakaszerősítés vizsgálata ............................................................................. 23 3.2.3 A szűrők beállítása .......................................................................................... 24 3.2.4 Pozíciószabályozás optimalizálása ................................................................. 25 3.3 Szabályozókör lezárása...................................................................................... 25 Összefoglalás ........................................................................................................... 26 Felhasznált irodalom ................................................................................................ 27
2
Bevezetés Az iparban számos robot segíti kiszolgáló vagy munkavégző tevékenységével a gyártás egyes folyamatait. Bár manapság az elektromos meghajtású (ált. AC szervomotoros) változatok uralják a piacot, de ezek mostoha körülmények között, (például a kohászatban, bányászatban) nehezen állják meg a helyüket, és hamarabb tönkremennek, mint egy hidraulikus rendszer. Ha nagy terheket szeretnénk „kis mérettel” mozgatni akár fokozatmentes szabályozással,akkor érdemes a megoldást a hidraulikus robotok területén keresni. TDK dolgozatomban a Szerszámgépek Tanszék Műhelycsarnokában álló hidraulikus robot továbbfejlesztésével foglalkozom. Ez a szerkezet egy 4 forgó tengellyel rendelkező csuklós mechanizmus, ahol az egyes tengelyek mozgatását hidraulikus forgatók végzik. A tervezői munkákon kívül kitérek a robot pozicionálását befolyásoló tényezőkre, okokra. Eme okok és tényezők figyelembe vételével megoldásokat keresek a szerkezet pozicionálásának javítására. A fizikálisan megvalósítható megoldások mellet, a robot PLC vezérlőjén keresztül elérhető software-es kompenzációkat is kifejtem.
3
1 A hidraulikus robot bemutatása A dolgozatomban szereplő hidraulikus robot terve már jó pár évvel ezelőtt látta meg a napvilágot, és az évek során épült és fejlődött a Szerszámgépek Tanszék gépészmérnök jelöltjeinek hála. Mikor én kezdtem el vele foglalkozni, mondhatni egy kicsit „lelakott” állapotban árválkodott a Tanszéki Műhelycsarnok egyik eldugott sarkában.
1.1 A robotkar felépítése Ez a robotkar négy forgó tengellyel rendelkezik, de ebből csak három tengelyt használ fel a saját mozgásának kivitelezésére (ebből ered az RRR lenevezés, az iparban PUMA), a negyedik tengely pedig orientációs mozgásra szolgál. A robotkar felépítésének sematikus képét az 1. ábra illusztrálja.
1. ábra Ha ezt a kart egy csuklós mechanizmusrendszernek tekintjük, akkor ennek a gyors és egyszerű modellezésére az ’xyz’ Descartes-koordináta-rendszeren kívül a ’B’ csuklópontban ξ’η’ζ’, a ’C’ csuklópontban ξ’’η’’ζ’’, és a’D’ csuklópontban ξ’’’η’’’ζ’’’ segéd koordinátarendszereket kell felvennünk. A robotkar ’A’ és ’B’ csuklópontjában egy DANFOSS HTR 0080 típusú korlátozott szögelfordulású hidraulikus munkahenger kivitelezi forgatást, míg a ’C’ , valamint a 4
’D’ csuklópontokban egy-egy Poliroth típusú korlátozott szögelfordulású hidraulikus motor. Az ’A’ pontban a ’z’ koordinátatengely körüli ±90° -os forgást, a ’B’ pontban a ξ’ koordinátatengely körüli ±90° -os forgást, a ’C’ pontban a ξ’’ koordinátatengely körüli ±90° -os forgást és a ’D’ pontban η’’’ koordinátatengely körüli ±90° -os forgást realizálják a hidraulikus meghajtású motorok.
2 A pozícionálás „Hardware-s” javítása A kellő pontosságú pozícionálás érdekében a rendszerünket úgy kell megterveznünk, hogy annak pozícionálási jellemzői az általunk meghatározott hibahatáron belül legyenek. Gondolok itt az egy- vagy többirányú helyzetpontosságra és ismétlőképességre, szakaszpontosságra, helyzetstabilizációs időre, statikus engedékenységre és a többi és a többi. Tehát a robot mechanikus felépítése kvázi egzakt módon generál a robot mozgatására nézve egy pontossági fokozatot. Ha a matematika nyelvén szeretnénk modellezni ezt, akkor azt mondhatjuk, hogy: Pr=Pm-Ph±Psz , ahol:
Pr: a rendszer valós pontossága Pm: a mechanikus rendszer pontossága Ph: a hidraulikus körfolyamból adódó pontatlanság Psz: a szabályozásból adódó pontosság, ami javíthat vagy akár ronthat a rendszer teljes pontosságán
Természetesen a valóság, ennél a szemléltető képletnél jóval bonyolultabb. Dolgozatomban a mechanikus elemek tervezésből adódó pontatlanságokra nem kitérve, a hidraulikus és szabályozó rendszerből adódó pontatlanságot generáló okokra, és azok kiküszöbölésére/javítására fókuszálok. A robotkar ’A’,’B’,’C’ tengelyének vázlatos hidraulikai körfolyama az alábbi ábrán látható (a ’D’ tengely nincs beüzemelve). A továbbiakban a hidraulikus körfolyam egyes elemeinek a pozícionálásra gyakorolt hatását vizsgálom. olajszűrő elektromotor szivattyú a motor túlterhelése elleni nyomáshatároló 5. visszacsapó szelep 6. nyomásmérő manométer 7. visszacsapó szelep 8. 3/2-es útváltó 9. PARKER D1FP 10. DANFOSS HTR 0080 11. POLIROTH 1. 2. 3. 4.
2. ábra 5
2.1 Útváltó szelep A robot mozgatásához nem elegendőek csupán a motorok, ezek irányításához útváltó szelepeket kell alkalmaznunk. A hagyományos értelemben vett hidraulikus útváltó szelepekkel nem tudnák kellő pontossággal és dinamizmussal elvégezni azokat a bonyolult vezérlési feladatokat, amelyek a hidraulikus robot vezérléséhez szükséges. Ezért úgy nevezett arányos útváltó szelepeket alkalmazunk, amik kapcsolatot teremtenek a hidraulikus elemek és a villamos irányítás között, úgy hogy (általában) a vezérelt elektromos feszültséggel arányos nyomást generálnak a kimenő hidraulikus csatornájukon. Mi 4/3-as arányos mágneses útváltókat (Parker D1FP) használunk, amelyekben a tolattyú (1) mereven kapcsolódik egy elektromágneses tekercshez (2), és attól függően, hogy pozitív illetve negatív polaritású egyenáramot kapcsolunk a tekercsre, húzza vagy taszítja magát (a tekercsre kapcsolt feszültséggel arányosan) az állandó mágneses hengerhez (3) képest. Így tudjuk szabályozni, hogy mennyi hidraulikus folyadékot engedjünk át az egyes csatornákon. Tehát fokozatmentesen tudjuk vezérelni a robot motorjainak sebességeit is.
3. ábra [1]
Mivel ez a konstrukció a tolattyú visszatérését is megoldja (ha nincs gerjesztő áram a tolattyú a zárt alaphelyzetbe áll vissza), így nincs szükség visszahúzó rugóra, ami pozícionálási szempontból kedvezőtlen utólengéseket eredményezhet. Ez akár helyzettúllendülést is okozhat. Ezenkívül igen erős mágnesek biztosítják a gyors beavatkozás lehetőségét. →Tehát jól kell megválasztanunk a végrehajtó elemet vezérlő útváltót, ha kellő pontosságot és dinamizmust várunk el a pozícionáló rendszertől.
6
2.2 Csővezetékek A robot egyes hidraulikus elemeit (motor - útváltó - tápegység) hidraulikus csővezetékek kötik össze. Ezek mindegyike fejlesztésem előtt rugalmas kivitelű volt. Az egyes hidraulikus elemek elhelyezését a roboton nagyban befolyásolják a rugalmas vezetékek, így két elem közötti kapcsolatot általában hosszabb csővel oldjuk meg, mint ami szükséges lenne, mivel a vezetékek hajlíthatósága korlátozott, többek között a cső hosszától, átmérőjétől és természetesen az anyagától is függ. (a minimális hajlítási sugarat a gyártók megadják). Ez a munkatérből von el értékes helyet, ezenkívül veszélyes is lehet, az esetleges beakadás miatt. A 3. ábrán jól látszik, hogy a rugalmas vezeték (katalógusban megadott) minimális hajlítási sugárral nézve is 3,5-szörösére nyúlik ki, mint a merev vezeték és egy sA-B= 50mm –es távolságot nem is tudunk kivitelezni vele.
4. ábra A robot esetében több helyen kis távolságokat kell áthidalni, ahol praktikusabb a merev acél csővezeték. A merev csőelemek mellett szóló másik érv, hogy a rugalmas csőben a nyomásváltozások hatására létrejövő térfogatváltozások miatt lengések keletkeznek (a merev csővezetékben is keletkeznek lengések a folyadék összenyomhatósága miatt, de ezek lényegesen kisebbek). Ezek a lengések kihatással vannak a pozícionálásra (célpozíción túllendül, ha hirtelen megállítjuk, vagy ha a gyorsulás túl nagy; esetlegesen a megállás után még bizonytalanul tartja az adott célpozíciót), így a rendszer merevségére előnyösen hat a csővezetékek cseréje. A merev csővezetékben csak a folyadék kapacitását kell figyelembe venni [2]: V CH , ahol CH a hidraulikai kapacitás, ΔV a folyadék térfogatváltozás és Δp a p nyomásváltozás.
V
CH
p
V0 Kf
p , ahol Kf a folyadék rugalmassági modulusa.
7
Rugalmas cső térfogatváltozása [2]: V
Vf
Vcső
, ahol ΔV a teljes térfogatváltozás, ΔVf a folyadék térfogatváltozása és ΔVcső a csővezeték térfogatváltozása. - Hook törvény, ahol
E
σ: a mechanikai feszültség E: rugalmassági modulus ε: fajlagos nyúlás
D D
E p D - kazán formula 2 s D D 2
Vcső D D
D
p D E 2s
D D 2
/
D2 4
l
D D 2
Vcső
Vcső Vcső p
D 2
l ,
p V0
V0
l
V
p
V p
Ce
l
p D E 2s
V0
l
,
D2 4
l
D E s
D E s
Vcső p
Ccső
1 2 D 2
V0 Kf
Cf
K cső
E s D
V0 Kf
p V0
, p V0
D E s
p
D E s
p V0
1 Kf
1 K cs
C cső
Tehát a rugalmas csőnél a hidraulikai kapacitás a folyadék és a cső kapacitásának összegéből adódik.
8
Természetesen csak ott lehet merev csővezetéket alkalmazni, ahol az összekötendő elemek egy ízen találhatók, mivel a robot egyes ízei között helyzetváltozás jön létre. Tehát a robot karjai közötti olajszállítás csak rugalmas csövekkel valósítható meg.
2.2.1 Hidraulikus csőelemek térfogatváltozása Ahhoz, hogy valós képet kapjak a rugalmas és merev csővezetékek térfogatváltozásáról méréseket végeztem. Ehhez 3 különböző gyármányú rugalmas és 1 merev acélcsővezetéket hasonlítottam össze. Megmértem terheletlen állapotban a csővezetékek átmérőjét 5 különböző ponton a cső hosszán (egymástól egyenlő távolságban). Majd 50[bar]-onként emelve a nyomást bennük, megismételtem a méréseket egészen 200[bar]-ig. Minden keresztmetszeten háromszor mértem az adott nyomásértéknél, majd az így kimért 3 eredménynek a számtani közepét vettem. Ezután az egyes nyomásértékeknél a cső átmérőit átlagoltam. Ezen adatok segítségével az alábbi számításokat végeztem: A méréseket Mitutoyo típusú mikrométerrel végeztem, melynek felbontóképessége 1µm. 1. vezeték Típus: rugalmas L=700[mm] s=8[mm] DB0=14[mm] D[mm] 21,864 21,886 21,904 21,932 21,966
0 [bar] 50 [bar] 100 [bar] 150 [bar] 200 [bar]
1. táblázat ΔD[mm] 0,022 0,040 0,068 0,102
Δp=50 [bar] Δp=100 [bar] Δp=150 [bar] Δp=200 [bar]
2. táblázat
V p V
Ce Vf
Cf
C cső Vcső
9
D D 2
Vcső
Kf
p Vf 0 Vf
l
,ahol Kf a folyadék rugalmassági modulusa. értéke szakirodalom
alapján hidraulikai olajokra 1,5·109[N/mm2]. Kf
p Vf
Vf 0
p Vf 0
Vf
Kf 2
Vf 0
DB 0 4
L
(14[mm ]) 2 4
700 [mm ] 107756 ,628 [mm 3 ]
p=50[bar] nyomásnál: 5[ Vf
Vcső
N ] 107756,628[mm 3 ] 2 mm N 1,5 109 [ ] mm 2
0,022[mm] 21,864[mm] 2
0,000359[mm 3 ]
700[mm] 528,895[mm3 ]
Megállapítható, hogy a folyadék térfogatváltozása (mivel 106 nagyságrenddel kisebb) a cső térfogatváltozásához képest elhanyagolható. A továbbiakban így 0-nak tekintem: V
Ce
Cf
Ccső Ce
Vcső
V p
528,895[mm 3 ] mm 5 105,779 N N 5 2 mm
Kf
107756,628[mm3 ] N 1,5 109 mm 2
Ce
Cf
Vf 0
105,779
mm5 N
mm5 0,0000718 N
0,0000718
mm5 N
C cső 10
105,7789282
mm5 N
105,779
mm5 N
A számításokból tisztán kitűnik, hogy a cső kapacitása mellett a folyadék kapacitása elhanyagolhatóan kicsi. Összenyomhatósági tényező:
f
CH V0
V0
D2 4
mm 5 105,779 N 262813,19[mm 3 ] l
(21,864 [mm ]) 2 4
Δp [bar] 50 100 150 200
ΔV [mm3] 528,895 961,62 1634,76 2452,15
0,000402
mm 2 N
700 [mm ]
262813 ,19[mm 3 ]
Ce[mm5/N] 105,779 96,162 108,984 122,607
βf[mm2/N] 4,02·10-4 3,65·10-4 4,14·10-4 4,66·10-4
3. táblázat
1. grafikon
2. grafikon
2. vezeték Típus: rugalmas L=780[mm] Δp [bar] 50 100 150 200
ΔV [mm3] 4379,54 6450,955 10623,363 12901,911
Ce[mm5/N] 875,908 645,095 708,224 645,0955
4. táblázat
11
βf[mm2/N] 2,45·10-3 1,8·10-3 1,99·10-3 1,8·10-3
3. grafikon
4. grafikon
3. vezeték Típus: rugalmas L=965[mm] Δp [bar] 50 100 150 200
ΔV [mm3] 680,76 1616,805 5573,723 7020,33
Ce[mm5/N] 136,152 161,68 371,581 351,017
βf[mm2/N] 2,28·10-4 2,7·10-4 6,22·10-4 5,9·10-4
5. táblázat
5. grafikon
6. grafikon
A három rugalmas vezeték grafikonjait összehasonlítva megállapítható, hogy: a térfogatváltozás a nyomás növekedésével arányosan nő a rugalmas vezetékek esetében! a hidraulikai kapacitás viszont az egyes csővezetékeknél más jelleget mutat, ennek két lehetséges magyarázata van: 1. az anyagok egy speciális nyúlástulajdonsága a különböző nagyságú nyomásokra 2. a mérésből származó szubjektív pontatlanság 12
Mindenképpen ezek a megfontolások, pontosabb mérést kívántak, ami nélkülözi az emberi „hibafaktort”. A megoldás egy tapintó mérő (HEIDENHAIN MT30), melyet a cső falához érintve láthatjuk a nyomás miatt bekövetkező keresztmetszet növekedést. Igen ám, de hova rögzítsük a tapintót?! A méréseknél a nyomást egy Bosch típusú szervószelep mérésre konstruált berendezéssel állítottuk elő. A szerkezet egyik kivezetésére csatlakoztattuk a mérendő csövet, megfigyelhető volt, hogy már 50[bar] nyomás felett is mennyire rázkódik a szerkezet, a csővezeték viszont rugalmassága miatt csillapította a rezgéseket, tehát a berendezésre ne rögzíthetjük! A talajra sem rögzíthetjük, mivel a csőnek van mozgása a rezgések miatt a talajhoz képest. Ezek alapján megállapítható, hogy csak a vezetékre lehet a tapintót rögzíteni, mivel rezgésnél a mérő a csővel együtt mozog. A mérő befogó készülékének elvi ábráját az 5. ábra mutatja. 1. rögzítő fél gyűrű 2. rögzítő fél gyűrű 3. rögzítő fél gyűrű 4. rögzítő fél gyűrű 5. furat 6. hüvely
5. ábra Az 1-es és 2-es illetve 3-as és 4-es rögzítő gyűrűkkel fogjuk a készüléket a csővezetékhez. A 2-es és 4-es gyűrű belső palástfelületéhez gumi távtartó fél gyűrűt illesztünk, hogy a befogott tapintó felé nyomás hatására tágulni tudjon a cső, az 1-es és 3-as gyűrűhöz nem teszünk ilyen gumit, ide (mivel a csőátmérők különböznek) az egyes vezetékek ármérőjéhez illő merev távtartó fél gyűrűket teszünk. Így csak egyik irányba tágul. A 6-os hüvelybe egy bemetszett teflon gyűrűt rakunk, és ebbe fogjuk a tapintót. Az 5-ös furatba menő csavar segítségével állítjuk a teflongyűrű rögzítő erejét. Így annak teleszkópos mechanizmusa szabadon tud mozogni, nem akadályozza a túlzott megfeszülés a hüvelyben.
13
Az első csövet újramérve a készülékkel a következő eredményeket kaptuk:
7. grafikon
8. grafikon
A kézi méréssel összehasonlítva hasonló eredményt kapunk. Noha a számok eltérnek, ám a grafikonok jellege hasonló maradt. A többi vezeték mérésére ezzel a berendezéssel sajnálatos módon nem került sor, mivel a másik két vezeték átmérőjéhez illő távtartó gyártása jelenleg is folyamatban van. 4. vezeték Típus: merev L=315[mm] 0 [bar] 50 [bar] 100 [bar] 150 [bar] 200 [bar]
D[mm] 15,075 15,077 15,075 15,075 15,076
6. táblázat A mérésekből azt a következtetést lehet levonni, hogy mikrométeres tartományban nem mérhető az acél hidraulikus csővezetékek keresztmetszet növekedése. A 6. táblázatban látható értékek ingadozása a szubjektív emberi hibából adódó mérési pontatlanságra utalnak. c
V0
V0 Kf
D2 4
56223,13 1,5 109
l
0,0000374
(15,075 [mm ]) 2 4
mm5 N
315 [mm ] 56223 ,13[mm 3 ]
Ez az érték 7 nagyságrenddel kisebb a rugalmas csöveknél mért kapacitásokhoz képest. A mérésekkel tehát alátámasztottam, azt az elméletet, miszerint a rugalmas csővezetékek cseréje merev csővezetékre, pozitívan hat a
14
pozícionálásra. Természetesen ennek valós értékét csak a robot mozgatásánál kapjuk meg. A mérésekből még az is megállapítható, hogy azokon a helyeken, ahol nincs mód merev vezeték beszerelésére, ott minél jobb minőségű rugalmas csövet használjunk, mivel a vezeték anyaga nagyban meghatározza a nyúlás mértékét. Továbbá törekedjünk a lehető legrövidebb csöveket alkalmazni (természetesen funkcionálisan még megfelelőt) ezzel is csökkentve a hidraulikai kapacitás mértékét.
3 A pozícionálás „Software-es” javítása A robot mechanikus elemeinek tervezéséből vagy akár a hidraulikus rendszerből adódó pontatlanságok kompenzálhatók egy jól beállított vezérléssel és szabályozással. Bár csak bizonyos keretek között, mivel ha a rendszerünk „túl kompenzált”, akkor biztos, hogy ez bizonytalansághoz vezet. A robotkar vezérlését és szabályozását egy Parker Compax3F típusú hidraulikus vezérlővel, és az ahhoz tartozó tengelyvezérlő software-rel (C3 ServoManager) oldom meg. A Compax3F egy specifikus hidraulikai tengelyvezérlő PLC, ami két tengely vezérlését képes megvalósítani egyszerre, ha több tengelyt szeretnénk vezérelni, akkor több Compax3F-et kell összekapcsolnunk egy hálózatba. Ezzel az eszközzel IEC61131-3 standard programnyelven programozhatunk a számítógépünk segítségével a CodeSys programozói környezetben. A robot szabályozásának struktúrája:
6. ábra A 4. ábra jól illusztrálja, hogy hidraulikus motorokat az útváltókon keresztül vezéreljük, és a motorok tengelyének szöghelyzetéről pedig Balluff típusú forgó 15
jeladók adnak információt. Ezekkel az eszközökkel a Compax3F vezérlőn keresztül kommunikálunk a számítógépünk segítségével.
3.1Pozícionálás a Compax3F-ben A robot mozgatását különböző módon tudjuk felépíteni, definiálhatunk gépi null járatot, amit a robot minden bekapcsolást követően végrehajt. Vagyis a gépi null Offset-tel beállított nullás pozícióra áll. Persze el is hagyhatjuk ezt a beállítást, bár véleményem szerint érdemes beállítani, mivel ha nem abszolút helyzetmeghatározást használunk egy ki-/bekapcsolás után teljesen más célpozícióba érkezhet a robot a kezdő pont eltolódása miatt. Fontos megemlíteni a gépi null járat beállításánál, hogy a hajtást mikor állítsa le a vezérlés. Ha közvetlen a nullpont megtalálása után akkor félő, hogy nem íri el a megkívánt helyzetet, ezért a visszacsatoláson keresztül ellenőrizni kell, hogy tartja-e a pozíciót vagy nem, és csak ezután állhat le a hajtás. [3] Ezt két példával illusztrálva: Gépi null-járat utáni korrekció
7. ábra A motor simulva áll a nullára.
16
Gépi null-járat után nincs korrekció:
8. ábra A simulva elért pozíció nem pontosan nulla, mivel a hajtás a gépi null találattal lefékez és helyben marad. Gépi null-járat két tengelynél: A segédtengely gépi nullja automatikusan meghatározott, mivel a segéd- és főtengely a gépi null-járatnál össze van kapcsolva és együtt mozognak. Az első és második tengelyt egyidejűleg állítjuk be, miután az első tengely a gépi null iniciálót megtalálta. A segédtengelyt ezért a gépi null-járat előtt egy meghatározott kezdőhelyzetbe kell vinni vagy abszolút jeladót kell alkalmazni. Az abszolút jeladórendszerrel a bekapcsolás után megszűnik a gépi null-járat, melyet két tengelynél csak összekapcsoltan lehet véghezvinni és ezért a segédtengely definiálása nehézkes. [3] Definíciók [3]: Motornullpont: a visszacsatolás null impulzusa motor visszacsatolás rosorverrel a motor nullpont kiértékelésén keresztül lehet a gép nullt pontosan meghatározni MN iniciáló: mechanikai vonatkozás gyártásához egy állandó helyzet a mozgásterületen belül vagy annak szélén
17
Változó iniciálók: iniciálók a mozgási terület szélén, amiket MN-járatnál a mozgásterület végének felismerésére használunk részben „követési hiba határérték” funkció is lehetséges, ehhez nem szükséges iniciáló, a Compax3F ismeri a mozgásterület végeinek határértékeit üzem közben a változó iniciáló legtöbbször, mint végállás kapcsoló működik Példa az inciálójelre [3]
9. ábra [3] változó- ill.véginiciáló a mozgásterület negatív végén gép null iniciáló változó- ill. véginiciáló a mozgástartomány pozitív végén pozitív mozgásirány motor nullpont jele gépi null iniciáló jele (iniciáló logika invertálása nélkül) változó- ill. véginiciáló jele a mozgástartomány pozitív végén (iniciáló logika invertálása nélkül) 8. változó- ill.véginiciáló jele a mozgásterület negatív végén (iniciáló logika invertálása nélkül) 9. gép null iniciáló jele (iniciáló logika invertálásával) 10. változó- ill. véginiciáló jele a mozgástartomány pozitív végén (iniciáló logika invertálásával) 11. változó- ill.véginiciáló jele a mozgásterület negatív végén (iniciáló logika invertálásával) 12. gépi null iniciáló logikai állapota (invertálástól függetlenül) 13. változó- ill. véginiciáló logikai állapota a mozgástartomány pozitív végén (invertálástól függetlenül) 14. változó- ill. véginiciáló logikai állapota a mozgástartomány negatív végén (invertálástól függetlenül) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
18
Ha nem áll rendelkezésre változó iniciáló, a változót gépi null-járatnál „követési hiba határ fordítás” funkcióval végre lehet hajtani. Ezért célszerű a mozgásterület végén a hajtással szemben mechanikus végállásokat használni. A beállított követési hiba határérték elérésénél a hajtás leáll és megfordítja a menetirányt. A funkció megfelelő működéséhez kis gép null járat sebességet kell beállítani, továbbá a gépi null járat gyorsulásának nagy értéket kell választani, de ne olyan nagyot, hogy a gyorsulás vagy a lefékezés miatt (mechanikus végállás nélkül) már a határértéket elérje a hajtás. A mechanikus végállást valamint a terhelésértékeket úgy kell megtervezni, hogy azok képesek legyenek a keletkező mozgási energiát elnyelni. A megfelelő vezérléshez be kell állítanunk a gépi null iniciálot, mivel ha véletlenül a motornullpont a gépi null-iniciáló helyzetével egybeesik, a kis helyzetváltoztatatásnál a gépi nullpont a motor forgása közben (következő motornullpontig) áthelyeződik. Ez bizonytalanságot okoz. A beállítási tartomány -360°÷360°. Itt egyébként a motornullpont is meghatározható. 1. motornullpont 2. MN-iniciáló logikai helyzete 3. 10. ábra
3.1.2 Lökések/ rámpák definiálása Egy mozgásfolyamat rendszerint nyugvó állapotból indul, majd a kiválasztott sebességet állandó gyorsulással elérve a rendszer a célhelyzetbe vándorol. A hajtást még időben a célhelyzet elérése előtt előre beállított késéssel megállítjuk, hogy a hajtás a célpozícióban tudjon maradni. Azért, hogy a beállított gyorsulást és késleltetést fenntartsuk, a hajtásnak a gyorsulást változtatnia kell (0-ról a beállított értékre, ill. a beállított értékről 0-ra). [3] Mozgásfolyamat: 1. 2. 3. 4.
helyzet sebesség gyorsulás lökés
11.ábra
19
A nagy gyorsulásváltozások (nagy lökések) gyakran negatív hatásokat eredményeznek a szerkezet mechanikájában. Fennáll annak a veszélye, hogy ezek a káros hatások mechanikus rezonanciát gerjesztenek, vagy akár fizikai ütközéseket okoznak. [3] Ezeket a problémákat a maximális lökés beállításával lehet minimalizálni. Lökés: [mértékegység/s3], tartomány: 0÷10 000 000, standardérték: 1 000 000 STOP-késés: STOP jel után beállított késéssel lefékez a hajtás. 2. késés
12. ábra Rámpa (késés) hibánál és árammentes kapcsolásnál
3. késés hibánál 13. ábra
3.1.3 Pozíciósáv – pozícióelérés A pozícióelérés azt mutatja, hogy a célpozíció hol helyezkedik el a pozíciósávban. Mikor a tényleges pozíció a pozíciósávban megjelenik, elindul a pozíciósáv ideje. Ha a tényleges pozíció a pozíciósáv ideje után még a pozíciósávban van, akkor pozícióelérés történt. Ha a pozíciósáv ideje alatt a tényleges pozíció kilép a pozíciósávból, akkor a pozíciósáv ideje újraindul. A pozíció megfigyelés ismét aktív, ha a pozíciósávot a pozíció egy külső intézkedésre elhagyja. [3] 1. pozíciósáv 2. pozíciósáv ideje 3. névleges pozíció elérése
14. ábra 20
3.1.4 Követési hibahatár Több szervóvezérlő együttműködésénél (pl. vezető- és követővezérlés) a követési hiba a dinamikus helyzetkülönbség alapján jön létre. Ezenkívül egy nagyobb követési hiba helyzettúllendülést okozhat. Bővített vezérlőparaméterekkel a követési hibát a minimumra lehet redukálni. [3]
1. követési hibahatár 2. követési hiba ideje
15. ábra Maximálisan megengedhető sebesség: A sebességkorlátozás a maximálisan megengedhető sebességből levezethető. Vezérléstartalékok biztosítják a sebesség magasabb értékének korlátozását. A sebesség alapértékét a megadott érték 1,1 –szeresére korlátozzuk. Ha a valós sebesség a maximálisan megengedett sebességet 21%-kal (=váltóhatár) meghaladja, akkor az hibát okoz. [3]
3.1.5 Késleltetési és gyorsulási fázis beállítása A késleltetési és gyorsulási fázis felosztásának megadásával a profilt pontosabban meg lehet határozni. 50-50% -os megadásnál, a software szimmetriatervet készít, és ennek segítségével megpróbál értékeket keresni a változó üzem számításához, ami lehatárolja a maximális sebességet. A százalékok összege nem haladhatja meg a 100%-ot. A százalék megadása az egész pozícionálási időre hatással van. [3]
16. ábra 21
3.2 Szabályozás optimalizálása Miután kiválasztottuk a megfelelő pozícionálási módot, és az ehhez tartozó lökéseket, késéseket, pozícióelérést, követési hibahatárt, késleltetési illetve gyorsulási fázist beállítottuk működtethetjük kézi üzemmódban a robotot. De ahhoz hogy a szabályozó körünk a megkívánt módon működjön, az előre beállított értékeken állítanunk kell a valóságos értékeknek megfelelően. Ebben nagy segítséget nyújt a C3ServoManagerbe integrált oszcilloszkóp. Ami a digitális és analóg jelek grafikus megjelenítését és mérését szolgálja. Két részből, egy grafikus kijelzőből és egy felhasználói felületből áll. A mérések során a képernyőt követve láthatjuk a jelek grafikonjának tényleges alakulását. És ezek segítségével számos finomítást végezhetünk a hajtáson. [4]
3.2.1 Szakasz nemlineáris kompenzációja Lehetőség van a szabályzás simítására a szakaszok nem lineáris részeinek kompenzálásával, a kimeneti kondicionáló láncokat felhasználva. Ennek segítségével a rendszer viselkedésének javulása érhető el. Erre számos lehetőség van. Nyomáskompenzáció Ha vannak nyomásérzékelők (nincsenek jelen esetben), ezeket fel lehet használni nyomáskülönbség kompenzálására. A szabályozás ezáltal robosztusabb lesz, ezzel szemben a rendszernyomás illetve a terhelés bizonytalan. [4] Mielőtt ezt az opciót aktiválnánk, a következőket kell figyelembe venni: megfelelő-e a kapcsolat a vezérlő és a nyomásszenzor között a vezérlőkapcsolat elérésénél és egyúttal a nyomásérték tanulmányozásánál (státuszérték → nyomás fő ill. melléktengelyen → pa, pb,pT,p0) lehet következtetni lehet a nyomásszenzor mérésére
A: henger A állásban B: henger B állásban 1: szelepállás
17. ábra
22
A cél, hogy a nyomásjelek legyenek jól szűrhetők. Megoldás: optimalizálás → analóg bemenet → InX szűrő Ha ezek a feltételek teljesülnek, akkor a nyomáskiegyenlítőt aktiválni lehet. Jelleggörbe kompenzálás A szelepek szabályozó jellegét elhajló jelleggörbével vagy fedéssel jelentősen javítani lehet, ha a szelep jelleggörbéjét a szabályozásban tároljuk, és a kompenzációhoz használjuk. Ehhez a C3ServoManagerben a jelleggörbét össze kell kötni a megfelelő szeleppel, majd a vezérlésbe tölteni. Ha a szelep jelleggörbéje aktiválva van, akkor a vezérlőjel és a sebesség közötti viselkedés nagyjából lineáris. [4]
3.2.2 Szakaszerősítés vizsgálata Először is az oszcilloszkópban beállítjuk a megkívánt és a tényleges sebességet. Utána lehet a szelep Offset -tel kompenzálni. Ehhez kézi vezérlésű üzemben működtetjük a tengelyt. A megkívánt és a tényleges sebességet összehasonlítva 4 esetet különböztethetünk meg [4]: megkívánt sebesség > tényleges sebesség, pozitív cselekvőirányban szakaszerősítés kicsi, megoldás Optimalizálás ablak → Output Chain → Gain Faktor pozitív irányban való növelése megkívánt sebesség < tényleges sebesség, pozitív cselekvőirányban szakaszerősítés túl nagy, megoldás Optimalizálás ablak → Output Chain → Gain Faktor pozitív irányban való csökkentése megkívánt sebesség > tényleges sebesség, negatív cselekvőirányban szakaszerősítés kicsi, megoldás Optimalizálás ablak → Output Chain → Gain Faktor negatív irányban való növelése megkívánt sebesség < tényleges sebesség, negatív cselekvőirányban szakaszerősítés túl nagy, megoldás Optimalizálás ablak → Output Chain → Gain Faktor negatív irányban való csökkentése Ha beállítottuk a megfelelő kompenzációt, akkor lehet a tengelyt a vezérelt sebességgel mozgatni. Szelep Offset beállítása A hajtás középállásának vizsgálatát végezhetjük itt el úgy, hogy a hajtást középállásba állítjuk. Majd megnézzük, hogy a tengely melyik irányba sodródik el. pozitív irányba sodródik. Megoldás: kimenet Offset-ét csökkenteni kell addig, amíg a hajtás leáll.
23
negatív irányba sodródik. Megoldás: kimenet Offset-ét növelni kell addig, amíg a hajtás leáll. Vigyázni kell, mert túl nagy értéknél a hajtás kontrolálatlanul nagy sebességgel fog mozogni.
3.2.3 A szűrők beállítása Minden jeladó típusnál a pozíció, sebesség, gyorsulás tényleges jelének zaja nagyban különbözik. A jelben egy nagy zaj negatív hatású lehet a szabályozás minőségére. De viszont, ha túl nagy szűrőállandót használunk ez a jelet „meghamisíthatja”, és ez is ront a szabályozás minőségén. [4] Különösen az alacsony felbontású útmérő rendszer használatánál szűrő kiegyenlítés szükséges. A nagy felbontású rendszereknél ez a lépés elhagyható. Ehhez az oszcilloszkópot kell beállítani úgy, hogy a tényleges sebesség szűrt legyen. Majd a paraméter tényleges sebességet növeljük addig, amíg a tengely szabályozott mozgásánál a sebességjelben nincs tüske. De ezeket a kompenzálásokat csak mértékletesen alkalmazhatjuk, mert a túlzott szűrés járulékos késést és fázisléptetést okoz a szabályozókörben, és később a szabályozás instabillá válhat. Csak olyan erős legyen a szűrés, ami feltétlenül szükséges. Az analóg útmérő rendszer használatánál legelőször a bemeneti szűrést kell elvégezni. A jelszűrés a következő módon alakul egy nem szűrt (19.ábra) és egy 550% -os szűrt (20. ábra) jelnél.
18. ábra
19. ábra
24
3.2.4 Pozíciószabályozás optimalizálása Proporcionál faktor (KP) Feladatai: alacsony sebességnél a stabilizáló határt növeli gyorsulás és lökés egyeztetése a tengely potenciáljával késés és lökés miatti késés egyeztetése a tengely potenciáljával aszimmetriák kompenzálása irányfüggő erősítéssel Integrál (KI) Feladatai: a követési hiba minimalizálása, hogy a tengely ne lendüljön túl belső ablak beállítása úgy, hogy a tengely ne álljon az után szabályozáskor külső ablak beállítása úgy hogy az esetleges túllendülés kicsi legyen Irányérzékelés vizsgálat A hajtás mindkét irányba való mozgatása. Megvizsgálhatjuk, hogy az irány az elvárt és a tényleges irányával azonos-e. Ha nem akkor a szelepirány fordítót be kell kapcsolnunk. Megvizsgálhatjuk továbbá, hogy az elvárt és a tényleges pozíció iránya megegyezik-e. Ha nem, akkor a jeladó irányérzékelését kell megváltoztatni. [4]
3.3 Szabályozókör lezárása Ha ellenőriztük a tengelyek mozgását, és a valós értékek tudatában kompenzáltuk azokat, lezárhatjuk a szabályozó körünket. Csak ezek után kezdhetünk el PLC programot írni a robotra. Vezérelt hajtás Lehetőség van a hajtás közvetlen visszacsatolás nélküli mozgatására. Ha nem mozog a tengely annak négy oka lehet [4]: szelep pozitív lefedettsége. Megoldás: szelep karakterisztika aktiválása, holtsáv kompenzálás beállítása. beállított korlátozás hibája. Megoldás: beállított korlátozás növelése. vezérlőjel erősítése túl kicsi. Megoldás: vezérlőjel erősítésének növelése. vezérlőjelek nem illeszkednek a szelepekhez. Megoldás: szelep kimeneti jelének állítása (0..3).
25
Összefoglalás Összefoglalásul a robot adott konstrukciója mellett, a hidraulikus kapacitás és az útváltó szelep típusát figyelembe véve, a software-es kompenzálásokkal feltehetően javítani lehet a rendszer merevségét és a pozícionálási pontosságot. Ennek valóság tartalmát és mértékét, egy speciálisan a robot köré épített több tengely mentén egyszerre mérő berendezéssel tudnánk megválaszolni. Reményeim szerint megvalósul a mérőberendezés, és így teljesen alátámasztva az elméletet bizonyíthatnánk, ezen változtatások jelentőségét. Ez a témakör rendkívül sok kérdést és kutatási témát szolgáltat, mellyel úgy gondolom a jövőben is érdemes foglalkozni. Hiszen a hidraulikai kapacitásról nem túl nagy a szakirodalom és az iparban sem találunk a csővezetékek nyúlására vonatkozó grafikonokat a nyomásváltozás függvényében.
26
Felhasznált irodalom [1] Catalogue HY11-2500/UK [2] Dr. Barna Balázs Hidraulikus, pneumatikus rendszerek előadásjegyzet [3] Dokumentation von Compax3F C3FI12T11 [4] Dokumentation von Compax3F C3FT30
27
