sterowanie napędów maszyn i robotów - jakub możaryn | … · 2015-03-16 · projektowanie - 8...

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Wykład 1 - Wprowadzenie, pojęcia podstawowe

dr inż. Jakub Możaryn

Instytut Automatyki i Robotyki

Warszawa, 2015

dr inż. Jakub Możaryn Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Program

Dane dotyczące przedmiotu

Prowadzący: dr inż. Jakub Możaryn, Gmach Mechatroniki, p. 346,e-mail: [email protected].

Strona www przedmiotu: http://jakubmozaryn.esy.es

Informacje o przedmiocie

Wykład - 16 godzin

Laboratorium - 6 godzin

Projektowanie - 8 godzin


Program

Warunki zaliczenia

Kolokwium zaliczeniowe lub prezentacja projektu (1 kolokwium, naostatnich zajęciach) - 30% oceny końcowej

Projekt (sprawozdanie z projektu) – 40% oceny końcowej

Laboratorium (obecność na zajęciach laboratoryjnych jestobowiązkowa) – 30% oceny końcowej

Liczba punktów ECTS - 3


Program

Cele przedmiotu

Nabycie umiejętności projektowania, realizacji, uruchomienia ieksploatacji układów sterowania napędów maszyn, urządzeńmechatronicznych i robotów z uwzględnieniem zachowaństatycznych i dynamicznych serwonapędów pneumotronicznych,hydrotronicznych i elektrycznych.


Program

Tematyka wykładów

WYKŁAD 1: Wprowadzenie do aktuatoryki maszyn i robotów - Aktuatorykawspółczesnych maszyn i urządzeń mechatronicznych, z uwzględnieniem urządzeństowanych w robotach. Zadania układów sterowania. Sterowanie pozycyjne:przestawianie i nadążanie oraz sterowanie siłowe (momentowe). Budowaaktuatora: serwonapęd, przekładnia, sensoryka, sterownik procesorowy. Specyfikaróżnych rozwiązań napędowych. Dobór serwonapędu do określonych zadań.

WYKŁAD 2: Układy sterowania aktuatorów - Sterowanie zwykłe i adaptacyjne.Sterowanie proporcjonalno-całkowo-różniczkowe. Sterowanie kaskadowe.Sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym od zmiennych stanu. Metodykaprojektowania sterowania.

WYKŁAD 3: Dynamika aktuatorów - Linearyzacja i upraszczanie opisubilansowego zachowań dynamicznych. Modele z czasem ciągłym i z czasemdyskretnym. Modele predykcyjne. Modelowanie zachowań dynamicznychpodstawowych serwonapędów.

WYKŁAD 4: Estymacja zachowań dynamicznych aktuatorów - Identyfikacjastatystyczna struktury i parametrów modelu na przykładzie wybranegoserwonapędu. Konwersja parametrów estymowanego modelu dyskretnego wparametry modelu ciągłego. Realizacja identyfikacji uruchomieniowej i w trakcienormalnej pracy.


Program

Tematyka wykładów

WYKŁAD 5: Odtwarzanie zmiennych stanu - Dostępność zmiennych stanu isposoby ich odtwarzania. Kryteria oceny jakości odtwarzania. Odtwarzanie przezróżniczkowanie i obserwację. Niestandardowe metody odtwarzania zmiennychstanu. Usuwanie opóźnień odtwarzania.

WYKŁAD 6: Projektowanie standardowego układu sterowania - Projektowanieukładu sterowania dla wybranego serwonapęu i rodzaju sterowania. Kryteriaoceny jakości sterowania. Kompensacja nieliniowości. Metody doboru nastawsterowania.

WYKŁAD 7: Optymalizacja sterowania zwykłego przez działania adaptacyjne ipredykcyjne - Iteracyjna modyfikacja nastaw sterowania. Modyfikacja nastaw zzastosowaniem logiki rozmytej. Nadążanie za zadanym modelem zachowań.Predykcyjne nadążania za zadaną trajektorią parametrów. Sterowania zidentyfikacją zachowań dynamicznych. Sterowanie ślizgowe.

WYKŁAD 8: Realizacja, uruchomienie i eksploatacja sterowania -Implementacja procedur sterowania na przykładzie wybranego sterownikaprocesorowego. Procedury uruchomienia na przykładzie wybranego aktuatora.Zasady eksploatacji.


Program

Zakres ćwiczeń laboratoryjnych

Aktuator elektrohydrauliczny - Uruchomienie aktuatora –elektrohydraulicznego serwonapędu tłokowego w wersji dławienioweji objetościowej (wyporowej). Badanie wpływu obciążenia masowegona wybrany wskaźnik jakości pozycjonowania przestawnego.

Aktuator elektryczny -Uruchomienie aktuatora – elektrycznegoserwonapędu silnikowego prądu przemiennego z falownikiemimpulsowym i przekładnią ruchu obrotowego na liniowy. Badaniejakości sterowania prędkością ruchu (prędkością obrotową silnika).


Program

Zakres ćwiczeń projektowych

Dobór układu kinematycznego i kinetycznego wybranejmaszyny lub robota - Analiza zachowań statycznych idynamicznych napędzanego członu mechanizmu kinematycznegowybranej maszyny lub robota na przykładzie zadanych obciążeńmasowych i siłowych oraz parametrów ruchu.

Dobór aktuatora wybranego członu mechanizmu maszyny lubrobota -Wybór rodzaju i dobór elementów aktuatora: silnika lubsiłownika, mechanizmu przekładniowego, sensoryki i procesoryki.Szkic dokumentacji projektowej aktuatora.

Wybór koncepcji i dobór nastaw układu sterowania wybranegoaktuatora - Opracowanie modelu zachowań dynamicznychaktuatora. Wybór koncepcji i struktury układu sterowania. Dobórnastaw sterowania. Sprawdzenie poprawności działania układu zwykorzystaniem wybranego oprogramowania symulacyjnego.


Literatura

Olszewski M.: Basics of servopneumatics. VDI Verlag, Duesseldorf, 2007.

Olszewski M.: Sterowanie pozycyjne pneumatycznego napędu siłownikowego.OWPW, Warszawa, 2002.

Osowski S.: Modelowanie i symulacja układów i procesów dynamicznych,OWPW, Warszawa, 2007

Winnicki A.: Odporne na zakłócenia ślizgowe sterowanie pozycyjne napęduelektrohydraulicznego. Rozprawa doktorska. Politechnika Warszawska,Warszawa, 2013

Heimann B., Gerth W., Popp K.: Mechatronika. Komponenty, metody,przykłady. WN PWN, Warszawa, 2001.

Pełczewski W., Krynke M.: Metoda zmiennych stanu w analizie dynamikiukładów napędowych. WNT, Warszawa, 1984.

Pizoń A.: Elektrohydrauliczne analogowe i cyfrowe układy automatyki. WNT,Warszawa, 1995.

Pritschow G.: Technika sterowania obrabiarkami i robotami przemysłowymi.OWPWr, Wrocław, 1995.

Holejko D., Kościelny W.: Automatyka procesów ciągłych, Oficyna Wyd. PW,Warszawa 2012.

Kaczorek T., Dzieliński A., Dąbrowski W., Łopatka R.: Podstawy teoriisterowania, WNT, Warszawa, 2013


Wprowadzenie

Aktuatoryka/aktoryka

(ang. actuator - urządzenie uruchamiające, nastawnik) dziedzinamechatroniki zajmująca się budową i sterowaniem urządzeńwykonawczych, realizujących zadania ruchowe i siłowe eliminując tymsamym udział człowieka w sterowaniu.

Aktuator/aktor

(urządzenie wykonawcze, element wykonawczy) – w technice, określenieurządzenia mechanicznego, występującego w układach regulacji, które napodstawie sygnału sterującego wypracowuje sygnał wejściowy do obiekturegulacji.

Do urządzeń wykonawczych można zaliczyć m.in.:

w mechanice – siłowniki pneumatyczne, hydrauliczne, silniki,dźwignie hydrauliczne, wzmacniacze elektrohydrauliczne,

są to „odpowiedniki”: rąk, dłoni, nóg, palców człowieka.


Wprowadzenie

Rysunek : System mechatroniczny


Wprowadzenie

Rysunek : Wybrane urządzenia wykonawcze


Wprowadzenie

Rysunek : Budowa serwomechanizmu napędowego


WprowadzenieSterowanie

Sterowaniem nazywa się celowe oddziaływanie na obiekt sterowania,mające doprowadzić do pożądanych zmian w procesach w nimzachodzących. Poziom energetyczny sygnałów sterujących z regułyznacznie niższy niż sygnałów, na które wpływają.


Wprowadzenie

Zadania układów sterowania

przeniesienia procedur sterowania na układ pozycyjny zestawiony ze sterownikaprocesorowego współpracującego z przetwornikiem (sensorem) położenia iewentualnie innymi sensorami,

pełna automatyzacja działań rozruchu i uruchomienia układu napędowego zzałożeniem niepełnej lub całkowitej nieznajomości przez operatora parametrównapędu,

zapewnienie bezpiecznego przejścia od fazy rozruchu i uruchomienia do fazynormalnej pracy układu (zapewnienie determinowanego zachowania napędu),

dobór nastaw startowych sterowania – automatycznie, z założeniemnieznajomości zasad parametryzacji sterowania przez operatora (z ewentualnymwymaganiem niedopuszczenia operatora do tej czynności),

odporność sterowania pozycyjnego na skokowe zmiany warunków pracy:

zmiany wartości zadanych położeń i zakresów przemieszczeń,

zmiany kierunku ruchu napędu,

zmiany położenia układu napędowego,

zmiany wartości obciążenia (masowego).


Wprowadzenie

Zadania układów sterowania, cd.

kompensacja przez układ sterowania powolnych zmian wartości systemowych:

temperatury otoczenia

parametrów zasilania (wartości napięć, ciśnień itp.)

właściwości ciernych napędu i napędzanego urządzenia (np.. starzenie izanieczyszczenie smaru)

zjawisk tribologicznych wywołanych postojem układu napędowego

Generalnie można także powiedzieć, że ogólnym zadaniem układu sterowania jestzwiększenie globalnego zysku przedsiębiorstwa. Wyżej wymienione zadania są tylkoelementami pośrednimi w realizacji tego głównego celu. Dobrze dobrany układsterowania pozwala osiągnąć:

wysoką dokładność wykonania towarów,

mniejsza ilość braków,

bezpieczeństwo przebiegu procesu,

co znacząco wpływa zysk.


WprowadzenieSterowanie pozycyjne (pozycjonowanie)

układu napędowego jest celowym oddziaływaniem na przebieg procesuruchu elementu ruchomego napędu dla zapewnienia żądanych zmianwartości jego położenia (drogi, pozycji, przemieszczenia liniowego lubkątowego) jako głównej wielkości sterowanej napędowego układupozycyjnego.

Rozróżnia się dwa rodzaje pozycjonowania:

przestawianie – przemieszczenie elementu ruchomego do pozycjizadanej, z zapewnieniem określonej jakości realizacji procesu ruchu iutrzymanie zadanej wartości położenia pozycji w czasie z określonąodchyłką ustaloną,

nadążanie – przemieszczanie elementu ruchomego w sposóbokreślony zmianami wartości wielkości zadającej, z zapewnieniemokreślonej jakości realizacji procesu ruchu i określonej odchyłkinadążania

Pomocniczymi wielkościami sterowanymi układu pozycyjnego są:prędkość, przyśpieszenie, itp., jako kolejne, fazowe, zmienne stanu.


Wprowadzenie

Sterowanie siłowe (momentowe)

Sterowanie siłowe (momentowe) jest oddziaływaniem siłowym na elementnapędzanego urządzenia


Wymagania stawiane współczesnym serwonapędom

W warunkach statycznych:

dysponowanie siłą lub momentem obrotowym potrzebnym dopokonania sił tarcia oraz obciążeń masowych, siłowych imomentowych

dysponowanie dużym zakresem regulacji prędkości lub obrotów

wykonywanie ruchu z minimalnymi przemieszczeniami (np.: od 0,1 µm do 1 mm)

ruch ze stałą prędkością (v ' const), także dla najmniejszychprędkości (roboczych, technologicznych, pełzania) – (rzędu 1 mm/s- 5 mm/s), brak drgań - zwłaszcza ciernych (tzw. tarciaprzylgowego, ang. stick – slip)


Wymagania stawiane współczesnym serwonapędom

w warunkach dynamicznych:

duże przyspieszenia (załączanie) i opóźnienia (hamowanie) ruchu –dysponowanie odpowiednio dużymi momentami przyspieszenia ihamowania

dokładność odtworzenia toru ruchu przy zadanych prędkościachroboczych (1 µm - 1 mm) i prędkościach jałowych (1 mm - 10 mm)


Przykłady zastosowania serwonapędów

Rysunek : Operowanie materiałem.



Rysunek : Montaż.



Rysunek : Cięcie na wymiar.


Napędy w robotyce

Rysunek : Robot ATLAS - DARPARobotics Challenge(http://www.theroboticschallenge.org/).

We współczesnych robotachstosowane są 3 trzy rodzajeserwonapędów

pneumatyczne,hydrauliczne,elektryczne (obecnie50% robotów).

Każdy robot jest wyposażonyw układ siłowników iprzekładni rozmieszczonychodpowiednio w jegopołączeniach ruchowych,tworząc układ napędowyrobota.


Napędy w robotyce

Napęd hydrauliczny, pozostaje nadal jednym z podstawowych napędów,szczególnie tam, gdzie chodzi o szybkie przemieszczanie przy znacznychobciążeniach robota.

Napęd pneumatyczny wykorzystuje środowisko ściśliwe, na ogół sprężonepowietrze. Zaletą tego typu napędu jest łatwość uzyskiwania powietrzado zasilania układu oraz możliwość łączenia układu z atmosferą pozakończeniu cyklu pracy. Niskie ciśnienie w porównaniu z napędemhydraulicznym czyni ten rodzaj napędu bezpiecznym w eksploatacji.Ponadto powietrze nie ma własności lepkich i ma dobre własnościdynamiczne i niewielką sztywność (w porównaniu do cieczy).

W pierwszej fazie rozwoju robotów przemysłowych stosowano napędypneumatyczne i hydrauliczne. Wzrost wymagań w stosunku do robotówdrugiej i wyższych generacji spowodował rozwój napędów elektrycznych.Szacuje się obecnie, że 50% robotów ma napęd elektryczny.


Napędy hydrauliczne

Zalety:

łatwość uzyskiwania dużych sił przy małych rozmiarach i ciężarachurządzeń;

łatwość precyzyjnego sterowania położenia elementu wykonawczego;

bardzo dobre właściwości dynamiczne. Małe momenty bezwładnościczęści ruchomych sprawiają, że siłowniki hydrauliczne odznaczają siębardzo dużą prędkością działania;

łatwość uzyskiwania ruchów jednostajnych;

możliwość uzyskania małych prędkości ruchu elementuwykonawczego bez konieczności stosowania przekładni

mała wrażliwość na zmiany obciążenia i przeciążenia, łatwośćzabezpieczenia przed przeciążeniami;

łatwość konserwacji (samoczynne smarowanie) i prostotaużytkowania;

duża pewność ruchowa.


Napędy hydrauliczne

Wady:

duży hałas wytwarzany przez pompę;

zanieczyszczenia wywołane ewentualnym wyciekiem oleju.


Napędy pneumatyczne

Zalety:

bardzo duża pewność ruchowa;

większa prostota konstrukcji w porównaniu do napędówhydraulicznych;

niska cena urządzeń w porównaniu z napędem hydraulicznym;

mała masa urządzeń i pomijalna masa czynnika roboczego wporównaniu z napędami hydraulicznymi;

powolne narastanie sił, bardzo istotne np. przy sterowaniuchwytaków (stąd często przy hydraulicznym lub elektrycznymnapędzie ramion manipulatora spotyka się napęd pneumatycznychwytaka;)

duża przeciążalność;

iskrobezpieczeństwo.


Napędy pneumatyczne

Wady:

trudność uzyskiwania ruchów jednostajnych z powodu dużejściśliwości czynnika roboczego;

duża wrażliwość ruchu na zmiany obciążenia;

gwałtowny rozruch, szczególnie przy małym obciążeniu;

znacznie mniejsze siły i momenty aniżeli dla napędówhydraulicznych.

konieczność zabezpieczania elementów przed korozją;

trudność sterowania położenia elementu wykonawczego.


Napędy elektryczne

Zalety:

niska cena napędu i układu sterowania w porównaniu z napędemhydraulicznym;

prostota układu zasilania;

duża niezawodność;

duża prostota czynności konserwacyjnych;

praca bez hałasu;

małe wymiary układu sterowania i zasilania.


Napędy elektryczne

Wady:

niekorzystny, w porównaniu z napędem hydraulicznym, stosunekmocy do masy urządzenia, szczególnie dla dużych mocy. Stąd teżprzy manipulatorach o bardzo dużym udźwigu nie stosuje się napęduelektrycznego;

właściwości dynamiczne napędu elektrycznego pomimo dużegopostępu w tej dziedzinie, wciąż są gorsze od właściwościdynamicznych napędu hydraulicznego;

wrażliwość na długotrwałe przeciążenia, mogące doprowadzić dospalenia silnika;

duże prędkości kątowe znamionowe wymagające stosowaniaprzekładni redukcyjnych


Popularność napędów na rynku polskim

Rysunek : Popularność napędów różnego rodzaju na rynku polskim(źródło:www.automatykab2b.pl)


Popularność napędów w robotyce

Rysunek : Udział procentowy różnego rodzaju siłownikow stosowanych wrobotach: a) rok 1977, b) rok 1990


Producenci napędów - hydraulika i pneumatyka

Polscy producenci napędów

Agromet ZEHS (cylindry hydrauliczne, Lubań),

Centrum Produkcyjne Pneumatyki Prema (spółka akcyjna,pneumatyka siłowa, Kielce),

Controlmatica Z AP-PNEFAL (różnorodna automatyka, w tymsiłowniki, Ostrów Wielkopolski),

FMB Bumar-Hydroma (cylindry i pompy hydrauliczne, Szczecin),

Gramet (siłowniki i cylindry, Jelenia Góra),

Hydroster (hydraulika, Gdańsk),

Hydrotor (hydraulika siłowa, Tuchola),

Pneumat System (siłowniki pneumatyczne, Wrocław),

Ponar Wadowice (hydraulika siłowa, Wadowice),

Zorin (siłowniki pneumatyczne, Dopiewo).

(źródło: http://www.automatykab2b.pl)dr inż. Jakub Możaryn Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Producenci napędów - hydraulika i pneumatyka

Zagraniczni producenci napędów dostarczający produkty na rynekpolski

Bosch Rexroth (napędy elektryczne, hydraulika siłowa, pneumatyka,Warszawa),

Festo (pneumatyka i napędy elektryczne oraz rozwiązaniamechatroniczne, Janki),

IMI International Oddział Norgren Herion (pneumatyka, zawory,siłowniki, Warszawa),

Parker Hannifin (pneumatyka, hydraulika, zawory, pompy,Warszawa),

SMC Industrial Automation (pneumatyka, hydraulika, napędyliniowe, systemy, Warszawa).

(źródło: http://www.automatykab2b.pl)


Producenci napędów - napędy elektryczne

Rysunek : Najpopularniejsze w Polsce marki serwosilników i serwonapędówelektrycznych (źródło: http://www.automatykab2b.pl)


Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Wykład 1 - Wprowadzenie, pojęcia podstawowe

dr inż. Jakub Możaryn

Instytut Automatyki i Robotyki

Warszawa, 2015


sterowanie napędów maszyn i robotów - jakub możaryn | … · 2015-03-16 · projektowanie - 8...

Documents