Позиционно-силовое управление в системе робота-станка

В данной лекции, как и в предыдущей, попытаемся рассмотреть, как за счет установки дополнительных приводов можно расширить возможности системы "низшего" уровня. Установка дополнительных приводов в совокупности с дополнительными датчиками контроля положения позволяет системе управления "низшего" уровня лучше приспосабливаться к изменению силового воздействия и более точно управлять перемещением. Расширяется зона обслуживания робота за счет возможности проходить особые положения механизма, в которых система становится неуправляемой.

Безусловно, эти функциональные дополнительные возможности могут быть реализованы различными способами. В наших лекциях мы делаем упор на системах, применяемых в робототехнических технологических машинах, построенных на основе механизмов параллельной структуры, что вносит специфику в схему построения данных систем. Как было изложено в лекции 9, с точки зрения механики движения невозможно одновременно по одной координате независимо управлять усилием, перемещением и скоростью данного перемещения. Однако механизмы параллельной структуры позволяют частично разделять данные функции и независимо управлять перемещением и усилием.

В работе [ 14.1 ] предложено для расширения кинематических и динамических возможностей технологического оборудования, построенного на механизмах параллельной структуры, установить приводные элементы на основании механизма и в сочленениях, выполняющих функции только передачи движения от основания к выходному звену. В этом случае дополнительные приводы играют роль устройств силовой разгрузки основных приводов, обеспечивающих заданный закон перемещения.

Дополнительные приводы

Дополнительные приводы позволяют разгружать основные приводы от статических нагрузок и реакций связей в сочленениях, что в свою очередь повышает быстродействие при движении выходного звена по заданной траектории и как следствие повышает точность воспроизведения программных траекторий. Рассмотрим построение системы позиционно-силового управления на примере плоского пятизвенника (рис. 14.1), где P_i - вес звеньев и сочленений звеньев.

Рис. 14.1.

Если в качестве основных приводов,осуществляющих перемещение выходного звена по заданной траектории, используются приводы, расположенные в сочленениях A и E, то вес звеньев 2 и 3 ( P₂ и P₃ ), а также реакции связей в сочленении C создают внешние моментные воздействия на данные приводы.

Для разгрузки основных приводов, установленных в сочленениях A и E,от воздействия веса звеньев и реакций связей в сочленениях B и D устанавливаются приводы, управляемые моментом. Рассмотрим структуру построения и динамические характеристики такой системы позиционно-силового управления.

Следует отметить, что совместное управление движением и силовым воздействием при перемещении по траектории возможно для механизмов, имеющих "свободные" сочленения (в рассматриваемом механизме это B, C и D ). Следящие позиционные системы управляют координатами q_Л и q_П пятизвенника по заданному закону (рис. 14.1).

Рис. 14.2.

Работа системы позиционно-силового управления с реальным объектом управления

Работа системы позиционно-силового управления с реальным объектом управления рассматривается на примере правой кинематической цепи пятизвенника (рис. 14.2). Система управления приводом, установленным в сочленении E, представляет следящую систему управления углом вращения q_П. Система управления приводом, установленным в сочленении D, - это следящая система управления моментом, удерживающим звено 3 в любом произвольном положении. Момент, развиваемый данным приводом , противодействует реакциям связей в сочленении C ( R_П и R_Л ) и моментам, создаваемым весом звеньев 3 и 4 ( P₃ и P₄ ) и весом сочленений P_C и P_d.

Дифференциальные уравнения, описывающие динамику правого двухзвенного механизма пятизвенника (рис. 14.2) имеют вид

где

L₃ и L₄ - длина звеньев 3 и 4; m₃ - масса звена 3; J_ц3 - момент инерции звена 3 относительно центра масс Ц₃ ; J₄ - момент инерции звена 4 относительно оси E ; M_qП, - моменты, развиваемые двигателями соответственно в сочленениях E и D ; R_П, R_Л - реакции связей, действующие в сочленении C на звено 2 и 3.

Структурная схема системы управления на языке Matlab в системе Simulink

Структурная схема системы управления на языке Matlab в системе Simulink , включающей исполнительные приводы и объект управления, приведена на рис. 14.3. Система управления позиционной координатой qП представляет следящую систему, замкнутую по положению. Реакция данной системы на ступенчатое входное воздействие приведена на рис. 14.4.

Система управления по координате представляет собой систему управления моментом, действующим в сочленении D. Исполнительный двигатель данной системы развивает момент, равный моментам сил, воздействующим на звено 3. Реакция данной системы на ступенчатое моментное воздействие приведена на рис. 14.5.