Мехатронный модуль линейного перемещения с пневматическим приводом

Установка системы в целом и отдельных ее частей не должна предъявлять дополнительных требований к покупке лицензий на программное или аппаратное обеспечение прочих производителей.

4.2 Требования к функциям

• Работа привода в следящем режиме;
• работа привода в режиме отработки заданного положения;
• фиксация положения поршня после отработки заданного положения;

 

РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ПРЕДЛОЖЕНИЯ

Техническое предложение разрабатывается с  целью выявления дополнительных или уточненных требований к изделию (технических характеристик, показателей  качества и др.), которые не могли  быть указаны в техническом задании, и это целесообразно сделать  на основе предварительной конструкторской  проработки и анализа различных  вариантов изделия. Результат данного этапа – комплект технической документации на изделие, включая конструкторскую, программную, технологическую и эксплуатационную.

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ  ПРИНЦИПА ПОСТРОЕНИЯ МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ

Модульный принцип построения положен в основу построения функциональных устройств современных производственных комплексов. В соответствии с этим принципом отдельные устройства состоят из функционально законченных и конструктивно оформленных блоков - модулей, структура которых универсальна и обеспечивает взаимозаменяемость. Модульный принцип построения подсистемы позволяет также значительно расширить круг разработчиков подсистемы, что позволяет решить задачу создания всей подсистемы в более короткий срок, чем при решении аналогичной задачи глобальным путем. Модульный принцип построения роботов позволяет наиболее легко создавать их модификации и совершенно новые типы на базе одних и тех же конструктивных частей.

Состав  проектируемого устройства:

• модуль линейного перемещения ПР МП-11;
• модуль пневмораспределителей;
• датчик положения штока;
• задатчик перемещения;
• электромагнитное тормозное устройство;
• микропроцессорные модули управления RealLab;
• ПК.

Обзор линейных следящих пневматических  приводов

Следящая  система – система автоматического  управления, в которой выходная величина при помощи обратной связи с определенной точностью воспроизводит входную (задающую) величину, характер изменения  которой заранее неизвестен.

Один  из примеров реализации следящей пневмосистемы  представлен на рис.1.

Рис.1 Следящий привод

Механизм  управления следящим приводом, представленном на рисунке, состоит из двух кинематически связанных рычагов. При смещении рычага управления вправо на величину x (рис. б), золотник распределителя смещается влево; левая полость цилиндра соединяется с напорной магистралью, а правая – с выхлопной. При этом шток цилиндра начинает перемещаться вправо. Движение штока передается через систему рычагов на золотник, который также начинает перемещаться вправо. Шток будет выдвигаться до тех пор, пока он не займет положение, которому при фиксированной величине соответствует нейтральное положение золотника (рис. 1, в). Таким образом, рычагом управления осуществляется входное воздействие на данный следящий привод, а рычагом, связанным со штоком цилиндра, обеспечивается механическая обратная связь.

На рис. 2 показан следящий пневмопривод с  управлением по давлению и обратной механической связью по положению.

Рис.2 Следящий привод с управлением по давлению и механической ОС

Управление  выходным звеном привода осуществляется посредством золотникового распределителя 1, положение золотника 2 которого задается усилителем типа сопло-заслонка 4. Питание на сопло, выполненное в правом торце золотника 2, подводится от канала с давлением p_пит через дроссель 3. Положение заслонки задается давлением p_упр.

При увеличении давления p_упр заслонка вследствие неравенства площадей управляющих ею мембран смещается влево, давление в плоскости В возрастает, в результате чего золотник также смещается влево и шток цилиндра выдвигается. При этом на заслонку передается тяга от пружины обратной связи 5, что приводит при определенном положении штока к возврату заслонки в исходную позицию и, как следствие, выводу золотника в нейтральное положение. Шток цилиндра останавливается в новом положении.

Уменьшение  давления p_упр сопровождается втягиванием штока.

В настоящее  время в различных отраслях промышленности интенсивно внедряются позиционные  и следящие приводы, построенные  на базе пневматических дросселирующих распределителей с пропорциональным управлением. (Рис.3)

Рис.3 – Функциональная схема пневматического позиционера  на базе дросселирующего пневмораспределителя с пропорциональным управлением

Сигнал  о текущем положении выходного  звена исполнительного механизма  от аналогового датчика перемещенияпоступает на сумматор, где сравнивается с  входным задающим сигналом Uвх. Разность сигналов поступает на усилитель и далее на дросселирующий пневмораспределитель. В момент, когда значения сигналов совпадают, пневмораспределитель устанавливается в нейтральном положении и выходное звено исполнительного механизма останавливается.

Рассмотрим  вариант реализации следящего пневмопривода, предложенный компанией Camozzi, которая прочно удерживает ключевые позиции на мировом рынке промышленной пневматики.

Рис.4 – Схема  электропневматического следящего  привода

Реализация  алгоритма управления возложена  на микроконтроллер, который выполняет  несколько функций (рис. 4). Микроконтроллер принимает задающее воздействие, несущее информацию о желаемом положении поршня, опрашивает датчик положения, вычисляет рассогласование, в функции от этого рассогласования формирует команды на электропневматическое регулирующее устройство привода и выдает данные о состоянии привода на устройство управления более высокого ранга и на устройство цифровой индикации. В зависимости от требуемой точности и быстродействия в качестве электропневматического регулирующего устройства может выступать пятиканальный трехпозиционный электропневматический распределитель дискретного действия с закрытой центральной позицией, группа клапанов или пропорциональные электропневматические устройства. Команды контроллера переключают регулирующее устройство таким образом, что поршень всегда движется в сторону уменьшения рассогласования. При достижении требуемого положения поршня распределитель переключается в центральную позицию, что приводит к останову штока пневмоцилиндра.

Компания  Камоцци уделила особое внимание выбору датчиков, измеряющих текущее положение поршня и существенно влияющих на качество приводов. Эти датчики могут быть как контактного, так и бесконтактного действия. Большой опыт промышленной эксплуатации позиционных и следящих приводов Камоцци свидетельствует о том, что наиболее удачными оказываются бесконтактные датчики, действие которых основано на магнитострикционном эффекте и магнитных связях измерительного элемента датчика с магнитом на поршне. Датчики легко монтируются как внутри, так и снаружи пневмоцилиндра, обладают повышенным ресурсом за счет отсутствия трущихся пар и малочувствительны к ударным нагрузкам. Важным достоинством используемых в приводах датчиков является абсолютное измерение положения поршня. При их использовании, в отличие от инкрементальных датчиков, не требуется производить поиск начальной координаты. Привод готов к работе сразу же после включения и не теряет позицию при прерывании электропитания. Для обеспечения высокой степени защиты от действия неблагоприятных факторов окружающей среды микропроцессорное и электропневматическое устройства управления приводами, устройства подготовки воздуха, ручного управления и отображения информации размещены в отдельном электропневматическом шкафу.

Для реализации следящего режима выбираем вариант, предложенный компанией Камоцци. Схема  привода представлена на рис. 5

 

Рис.5

исполнительный  механизм следящего пневмопривода

В качестве исполнительного механизма привода используется модуль линейного перемещения промышленного робота МП-11 (Приложение 1).

Характеристики  модуля линейного перемещения представлены в таблице 1:

Таблица 1 – Характеристики модуля выдвижения

Параметр	Величина
Максимальная величина горизонтального  перемещения, мм	150
Время выдвижения (втягивания) руки при  максимальной величине перемещения, с, не более	0,5
Максимальная скорость выдвижения при  максимальной величине перемещения, м/с, не менее	0,75
Максимальное ускорение горизонтального  перемещения, м/с2, не менее	6,5

Рука робота МП-11 состоит из корпуса 16, штока 13, направляющей 21, основных упоров 10 и 18, регулировочных упоров 9 и 17, амортизатора 15. В корпусе 16 ходит шток-поршень13, уплотненный манжетами 6. Воздух подводится к штуцерам 14 и через каналы, выполненные внутри корпуса, поступает в штоковые полости.

Направляющая 21 служит ограничителем штока от поворота. Смазка направляющих втулок 20 осуществляется через пресс-масленку 19. При подаче воздуха происходит перемещение штока-поршня 13 вместе с направляющей 21 и упорами 9, 10, 17, 18 (Приложение 1).

На манипулятор  подается напряжение 24 В постоянного  тока. Сжатый воздух подается к электро-пневматическим клапанам манипулятора от пневмомагистрали через устройство подачи воздуха. Линейное перемещение обеспечивается двумя  электро- пневматическими клапанами. Каждый клапан снабжен дросселем, регулировка которого позволяет производить изменение скорости движения штока.

РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ПО ПОЛОЖЕНИЮ

Обзор датчиков перемещения

В течение  двух десятилетий во всех отраслях производства успешно применяются  датчики и измерители пути: датчик положения, датчик перемещения. Являясь  связующим звеном между электронной  и механической частями приборов, датчик перемещения, датчик положения  стал неотъемлемым элементом оборудования для автоматизации различных  процессов.

Датчик  положения (датчик перемещения) — это  устройство, предназначенное для  определения местоположения объекта, который может находиться в твердой  или жидкой форме, а также быть сыпучим веществом. В быту чаще всего  под этим термином подразумевается  электронный инфракрасный датчик. При  выборе этого устройства следует  учитывать особенности каждого  вида продукта, а также различия, возникающие в силу подхода производителя  к изделию. Выбирая датчик перемещения, необходимо выяснить предпочтения по следующим свойствам:

• разрешение и точность;

• надежность;

• линейность;

• размеры;

• условия  применения;

• скорость измеряемого процесса;

• стоимость.

Следующим параметром выбора устройства является метод определения положения. Абсолютный датчик перемещения вырабатывает сигнал-функцию  положения одной из его частей, связанных с исследуемым объектом, а изменения этого сигнала показывают смещение. Относительный датчик генерирует отдельный импульс на каждом перемещении, а положение объекта определяется суммой импульсов.

После того, как приоритеты выбраны, можно рассматривать  спектр устройств по физическим принципам  работы, типу выхода и прочим параметрам.

Датчики положения (датчики перемещения) бывают двух видов: бесконтактные (индуктивные датчики, магнитные, емкостные, ультразвуковые, оптические) и контактные. Основным представителем второго типа является энкодер — устройство, преобразующее угол поворота объекта в сигнал, позволяющий определить этот угол. По типу выхода датчики перемещения делятся на аналоговые и цифровые.

Потенциометрические (резистивные) датчики

Сопротивление проволочного резистора зависит от длины провода. Таким образом, если перемещение объекта будет связано с изменением положения ползунка потенциометра, получится устройство, контролирующее положение объекта, т.е. детектор перемещений. потенциометрические преобразователи относятся к активным устройствам, поскольку для определения величины сопротивления через них должен протекать электрический ток, т.е. они нуждаются в дополнительном источнике возбуждения (к примеру, в источнике постоянного тока). Хороший потенциометр обеспечивает среднюю разрешающую способность около 0.1% от полной шкалы измерения. Большинству потенциометров присущи следующие недостатки:

1. Значительная  механическая нагрузка (трение).

2. Необходимость  обеспечения механического контакта  с объектом.

3. Низкое  быстродействие.

4. Трение  и напряжение возбуждения, приводящие  к нагреву потенциометра.

5. Низкая  устойчивость к факторам окружающей  среды.

Один  из вариантов потенциометрического датчика представлен на рис.6

Рис.6 - Потенциометрический  датчик перемещения. Модель 8709

Таблица 2 –  Технические характеристики