5.2 Следящая система промышленного робота
В соответствии с требуемыми условиями производственного процесса кинематические звенья и захватное устройство промышленного робота (ПР) должны перемещаться в пространстве по заданным траекториям. Такое перемещение в автоматическом режиме осуществляется в современных роботах с помощью системы управления, которая представляет собой сложный взаимосвязанный комплекс следящих систем управления положением звеньев манипулятора - следящих приводов. Каждый привод управляет определенной степенью подвижности манипулятора. В последние годы в ПР все более активно применяются электроприводы на основе использования электрических двигателей постоянного тока, асинхронных, шаговых двигателей.
В общем случае, структура отдельной следящей системы промышленного робота (ССПР) может быть представлена функциональной схемой, изображенной на рисунке 5.3.
Рисунок 5.3 - Функциональная схема электрической следящей системы промышленного робота
На схеме приняты обозначения: 3Э - задающий элемент, формирующий задающее воздействие по угловому положению; КЭ2, KЭ1 - корректирующие элементы; УПЭ1, УПЭ2 - усилительно-преобразующие элементы; ИД - исполнительный двигатель; МП -механическая передача; ДС - датчик скорости; ДП - датчик положения; СЭ1, СЭ2 - сравнивающие элементы; О - объект управления (исполнительный орган манипулятора); Мвн(t) - момент внешних сил; q(t) – реальное угловое положение звена.
Задающий элемент 3Э формирует информацию о требуемых траекториях перемещения звеньев манипулятора и захватного устройства. Корректирующий элемент KЭ1 и усилительно-преобразующий УПЭ1 выполняет функцию регулятора положения, характеристика которого может перестраиваться с целью достижения требуемых динамических качеств. Усилительно-преобразующий элемент УПЭ2 является усилителем мощности, совместно УПЭ2 и корректирующий элемент КЭ2 выполняют функцию регулятора скорости, от их выбора существенно зависят динамические характеристики ССПР. Остальные элементы следящей системы: электродвигатель ИД, датчик скорости ДС, датчик положения ДП конструктивно входят в состав исполнительного органа манипулятора и являются неизменяемой частью системы, поскольку не могут быть изменены в процессе настройки ССПР.
Как видно из рисунка 5.3, функциональная схема содержит два контура регулирования: подчиненный контур регулирования скорости двигателя (сервопривод) и контур регулирования углового или линейного положения (следящий привод).
Следящие системы ПР определяют важнейшие технические характеристики робота, в частности, его точность и быстродействие. В комплексе работа всех следящих систем ПР должна обеспечивать минимальное значение погрешности позиционирования захватного устройства манипулятора при максимально возможном быстродействии. При этом также необходимо обеспечить апериодичность процессов управления, так как перерегулирования в следящих системах, приводящие к "перебегу" заданных траекторий, могут привести к аварийным ситуациям.
Будем рассматривать следящую систему промышленного робота, в которой в качестве исполнительного двигателя используется двигатель постоянного тока с независимым возбуждением.
В качестве функциональных элементов ССПР используются следующие устройства: усилителем мощности является тиристорный преобразователь, измерителем скорости - тахогенератор постоянного тока, измеритель углового положения - потенциометрический датчик, корректирующие устройства регуляторов скорости и положения выбираются в процессе расчета следящей системы.
Структура передаточных функций ССПР и значения их параметров приведены в таблице 5.3 для каждого варианта задания.
Таблица 5.3 – Параметры передаточных функций исследуемой следящей системы промышленного робота
№ в а р. |
Параметры передаточных функций |
||||||||
W3= КП |
КЯ W4= ---------- ТЯS+1 |
КМ W5= ------ JS |
W6= К |
1 W7= ---- iS |
W8= КТГ |
W9= КОС |
|||
КП |
КЯ |
ТЯ |
КМ |
J |
К |
i |
КТГ |
КОС |
|
1 |
10 |
2 |
0,04 |
0,05 |
0,005 |
0,2 |
70 |
0,07 |
1 |
2 |
9 |
3 |
0,03 |
0,06 |
0,007 |
0,25 |
70 |
0,06 |
1 |
3 |
8 |
3 |
0,02 |
0,04 |
0,006 |
0,25 |
75 |
0,06 |
1 |
4 |
7,5 |
2 |
0,02 |
0,045 |
0,005 |
0,2 |
50 |
0,05 |
1 |
5 |
7 |
3 |
0,03 |
0,05 |
0,007 |
0,25 |
60 |
0,06 |
1 |
6 |
6 |
2 |
0,04 |
0,05 |
0,005 |
0,3 |
65 |
0,07 |
1 |
7 |
30 |
1,7 |
0,03 |
0,04 |
0,007 |
0,3 |
75 |
0,07 |
1 |
8 |
8,5 |
1,8 |
0,04 |
0,04 |
0,005 |
0,2 |
80 |
0,06 |
1 |
9 |
5 |
2,5 |
0,02 |
0,03 |
0,005 |
0,25 |
70 |
0,065 |
1 |
10 |
4 |
3,5 |
0,03 |
0,04 |
0,005 |
0,3 |
60 |
0,07 |
1 |
11 |
25 |
2 |
0,03 |
0,05 |
0,005 |
0,25 |
70 |
0,06 |
1 |
12 |
9,5 |
1,5 |
0,04 |
0,06 |
0,007 |
0,2 |
55 |
0,05 |
1 |
13 |
6,5 |
2,3 |
0,035 |
0,05 |
0,007 |
0,3 |
75 |
0,07 |
1 |
14 |
7 |
3 |
0,025 |
0,04 |
0,005 |
0,3 |
65 |
0,05 |
1 |
15 |
6,5 |
2 |
0,02 |
0,04 |
0,006 |
0,25 |
80 |
0,36 |
1 |
16 |
9,5 |
1,5 |
0,03 |
0,045 |
0,006 |
0,2 |
75 |
0,05 |
1 |
17 |
10 |
1,5 |
0,04 |
0,045 |
0,007 |
0,3 |
80 |
0,04 |
1 |
18 |
5,5 |
2 |
0,02 |
0,05 |
0,005 |
0,2 |
65 |
0,06 |
1 |
19 |
4,5 |
3 |
0,03 |
0,045 |
0,007 |
0,25 |
55 |
0,07 |
1 |
20 |
5 |
3 |
0,02 |
0,04 |
0,005 |
0,25 |
50 |
0,05 |
1 |
21 |
6 |
2 |
0,035 |
0,04 |
0,006 |
0,3 |
50 |
0,04 |
1 |
22 |
7 |
1,5 |
0,03 |
0,04 |
0,007 |
0,2 |
70 |
0,06 |
1 |
23 |
8 |
1,5 |
0,02 |
0,045 |
0,005 |
0,3 |
70 |
0,05 |
1 |
24 |
9 |
1,5 |
0,02 |
0,05 |
0,007 |
0,3 |
60 |
0,07 |
1 |
25 |
10 |
1,5 |
0,04 |
0,05 |
0,008 |
0,3 |
60 |
0,06 |
1 |
В таблице 5.3 приняты обозначения: W3(s) - усилителя-преобразователя (блок УПЭ2 на рисунке 5.3); W4(s), W5(s), W6(s) - двигателя постоянного тока (блок ИД на рисунке 5.3); W7(s) – механической передачи (блок МП на рисунке 5.3); W8(s) - измерителя скорости(блок ДС на рисунке 5.3); W9(s) - датчика углового положения (блок ДП на рисунке 5.3).
Синтез контура регулирования скорости провести исходя из следующих требований: система регулирования скорости должна быть астатической, значения максимального времени переходного процесса (времени регулирования) tP, перерегулирования , коэффициента скоростной ошибки С1 должны соответствовать значениям, приведенным в таблице 5.4.
В этой же таблице приведены значения допустимого показателя колебательности в следящей системе управления угловым положением.
При анализе нелинейности САУ в вариантах с 1 по 12 следует учесть влияние зоны нечувствительности двигателя. В вариантах с 13 по 24 учесть влияние эффекта насыщения в тиристорном преобразователе.
В таблице 5.4 приведены значения ширины зоны нечувствительности 2 и порога ограничения А.
Таблица 5.4 - Значения заданных показателей функционирования
системы управления
№ в а р. |
Показатели качества |
Параметры нелинейностей |
||||
,% |
tP,c |
|
С1 |
2 |
А |
|
1 |
20 |
0,4 |
1,5 |
0,04 |
0,5 |
- |
2 |
25 |
0,3 |
2 |
0,03 |
0,4 |
- |
3 |
30 |
0,35 |
1,5 |
0,02 |
0,3 |
- |
4 |
20 |
0,3 |
1 |
0,02 |
0,2 |
- |
5 |
15 |
0,45 |
2 |
0,025 |
0,2 |
- |
6 |
20 |
0,25 |
1,5 |
0,01 |
0,3 |
- |
7 |
25 |
0,3 |
2,5 |
0,02 |
0,4 |
- |
8 |
30 |
0,2 |
1 |
0,03 |
0,4 |
- |
9 |
30 |
0,25 |
2 |
0,04 |
0,3 |
- |
10 |
25 |
0,3 |
1,5 |
0,025 |
0,2 |
- |
11 |
20 |
0,2 |
2 |
0,035 |
0,5 |
- |
12 |
15 |
0,3 |
1 |
0,03 |
0,4 |
- |
13 |
20 |
0,35 |
1 |
0,02 |
- |
1 |
14 |
25 |
0,45 |
2 |
0,015 |
- |
1 |
15 |
20 |
0,4 |
1,5 |
0,01 |
- |
0,5 |
16 |
30 |
0,3 |
2 |
0,04 |
- |
1 |
17 |
20 |
0,2 |
1 |
0,02 |
- |
0,9 |
18 |
30 |
0,25 |
1,5 |
0,035 |
- |
0,8 |
19 |
15 |
0,35 |
1,5 |
0,045 |
- |
0,7 |
20 |
20 |
0,4 |
2 |
0,03 |
- |
0,6 |
21 |
20 |
0,45 |
1 |
0,035 |
- |
1 |
22 |
25 |
0,4 |
1,5 |
0,025 |
- |
0,6 |
23 |
30 |
0,3 |
2 |
0,03 |
- |
0,8 |
24 |
20 |
0,2 |
1 |
0,04 |
- |
1 |
25 |
20 |
0,5 |
2 |
0,03 |
- |
1 |