Автор: Р. А. Мирзаев, Н.А. Cмирнов
Источник: Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
Поставлена и решена задача создания системы автоматического управления сервоприводами механизма параллельной структуры. Важнейшим элементов данной системы управления является компьютерная программа, рассчитывающая положение приводов и полюса схвата и отправляющая сигналы на контроллер сервоприводов.
Начиная с 30-х годов, разработано множество конструкций механизмов параллельной структуры (МПС). Основными преимуществами МПС перед традиционными последовательными роботами являются: большая точность и жесткость из-за того, что штанги работают только на растяжение-сжатие при отсутствии изгибающих нагрузок; большая скорость перемещения исполнительного механизма за счет меньшей массы подвижных звеньев. Основными недостатками МПС являются: необходимость сложной системы управления, меньшее рабочее пространство, большое количество приводов, что уменьшает надежность. Область преимущественного применения МПС: чистовая обработка деталей со сложными поверхностями; измерительные машины; упаковочные манипуляторы; устройства ориентации антенн и телескопов; медицина; авиационные и иные тренажеры.
Однако управление МПС имеет ряд особенностей: больше количество допустимых состояний системы и высокая частота областей особых положений. Многие общепринятые алгоритмы управления механизмами, имеющие высокую вычислительную сложность, или требующие большого количества ресурсов при расчетах, плохо применимы в системах автоматического управления (САУ) МПС. Вследствие высокой дискретности пространства допустимых состояний устройства, они не удовлетворяют ограничениям по времени расчетов или требуемым ресурсам. При разработке новых алгоритмов управления возникает необходимость оценки их ресурсоемкости, точности, эффективности в различных ситуациях [1].
Предложен механизм параллельной кинематики -дельта-робот для механической обработки деталей [2]. Дельта-механизм - вид механизма параллельной структуры, состоящий из трех рычагов, прикрепленных к основанию посредством карданных шарниров. Из-за того, что привод находится в основании устройства, а рычаги сделаны из легких композитных материалов, подвижные части дельта-робота имеют малую инерцию. Это позволяет достичь значительных ускорений - до 30 g и скоростей до 10 м/с.
Звенья приводятся в движение тремя сервоприводами. САУ сервоприводов состоит из: генератора, регулятора, датчика обратной связи [2]. В качестве генератора выступает программа управления сервоприводом.
Задача программы - рассчитывать положение приводов на основе требуемых координат полюса схвата, взятых из файла g-кодов или команд оператора, а также выдавать регулятору управляющие сигналы. Регулятором служит контроллер сервоприводов, который выдает ШИМ-сигнал управления на объект управления (сервоприводы) и получает обратную связь от датчика положения [3].
Алгоритм управляющей программы создан с учетом особенностей управления пространственными механизмами с параллельной кинематикой. Реализована возможность синхронного перемещения по нескольким координатам с заданной скоростью. Помимо одновременного перемещения нескольких приводов, оператор может управлять каждым сервоприводом в отдельности.
Во вкладке решения обратной задачки кинематики управляющей программы оператор задает требуемые координаты полюса схвата, на основе которых алгоритм решает обратную задачу кинематики манипуляторов - находит положение приводов. Если решение не может быть найдено, об этом выводится информация в текстовом поле, а команды на приводы не передаются. Механизм при этом остается в последнем еще допустимом положении и не ломается.
Таким образом, в работе поставлена и решены следующие задачи: разработана структура САУ сервоприводами; создано алгоритмическое и программное обеспечение управления сервоприводами с учетом особенностей прецизионного управления МПС в режиме реального времени; решена задача терминального управления МПС. Созданная САУ имеет преимущество перед имеющимися в том, что полностью совместима с современным программным и аппаратным обеспечением: вывод сигналов осуществляется через USB-порт, функционирование на операционной системе Windows 7.
1. Антонов С. Е. Разработка автоматизированного программно-аппаратного комплекса для исследования многокоординатных нелинейных механизмов на примере прецизионных триподов : дис. ... канд. техн. наук: 05.13.06. СПб., 2013. 146 с.
2. Мирзаев Р. А., Смирнов Н. А. Автоматизированная система управления манипулятором // Вестн. СибГАУ. 2013. № 2 (48). С. 201-205.
3. Никулин Е. А. Основы теории автоматического управления. Частотные методы анализа и синтеза систем. СПб. : БХВ-Петербург, 2012. 640 с.