Параметры гидравлической системы
|
Модуль упругости жидкости
|
E
|
Ход цилиндра
|
Н
|
Формулы расчета для собственной частоты привода с цилиндром,
имеющим равные площади поршня
|
Минимальная жесткость двух объемов жидкости
|
|
Минимальная собственная частота
|
|
Минимальная собственная частота с учетом «мертвых» объемов
|
|
Формулы расчета для собственной частоты привода с цилиндром,
имеющим разные площади поршня
|
Минимальная собственная частота с учетом «мертвых» объемов
|
|
Формулы расчета параметров движения
|
Минимальное время ускорения и торможения
|
|
Минимальная дистанция ускорения и торможения
|
|
10. Расчет
собственной частоты и минимально допустимых времен ускорения и торможения для
цилиндра с односторонним штоком
Гидравлический цилиндр
с односторонним штоком поднимает и опускает массовую нагрузку. Все данные
соответствуют пункту 7 (рис. 1.5). Ход поршня Н равен 200 мм, модуль
упругости Е=1,4·109 Н/м2. AR = 1.22 см2
= 1.22 м2 * 10-4
m = 9 кг; а = 1.64
Расчет минимальной
собственной частоты
Минимальная собственная угловая
частота привода
= 493.7 1/
Расчет минимального
времени ускорения и торможения
=
0.036 с = 36 мс
Этапы расчета
Продолжительность
движения гидропривода рассчитывается в несколько этапов:
• определяется
максимальная скорость,
• рассчитывается
длительность фаз ускорения и торможения,
• принимается
решение о количестве фаз движения (две или три),
• рассчитывается
общая продолжительность движения
а.) Расчет
максимальной скорости
Значение
максимальной скорости зависит от максимального открытия распределителя,
площадей поршня и штока, давления питания и нагрузки.
б.) Длительность
фаз ускорения и торможения
В ходе ускорения
или замедления по определенному закону происходит открытие или закрытие
распределителя. Допустимая продолжительность фаз ускорения и торможения
определяется двумя факторами:
• предельное усилие
на поршне не должно превышаться;
• законы изменения
скорости в пределах фаз ускорения и торможения
должны выбираться
так, чтобы привод не вступил в колебания.
в.) Движение в три фазы
Если сумма
дистанций XB и XV меньше рабочего хода привода, имеют место три фазы движения:
ускорение (разгон) на участке XB, движение с постоянной максимальной скоростью на участке ХK, торможение на участке XV. Общее время перемещения поршня tG является суммой tB, tK и tV.
г.) Движение в две
фазы
Если сумма дистанций XB
и XV
равно или превышает рабочий ход
привода XG, движение происходит в две фазы. Причем в последнем случае привод
не сможет достичь максимально возможной скорости. Расчет дистанций XB
и XV
нужно будет выполнить заново. Для
этого следует учесть максимально допустимое усилие на поршне и ограничения,
накладываемые собственной частотой привода.
Длительность процессов ускорения и
торможения подсчитывается из дистанций XB
и XV, после чего определяется общая продолжительность движения tG.
11. Расчет
продолжительности движения поршня цилиндра с односторонним штоком
Цилиндр расположен
вертикально и перемещает нагрузку вверх и вниз. Все данные соответствуют
пунктам 7 и 10. Определим минимальную общую продолжительность движения tG, если нагрузка опускается на XG = 150 мм.
В данном случае имеет место
выдвижение поршня (прямой ход) цилиндра.
а.) максимальная скорость опускания
(выдвижения штока) груза
= 0.168 м/с
б.) Фаза ускорения
Максимальное усилие на поршне
= 2.01см2*30
бар = 603 Н
Максимальное усилие ускорения
FB = Fmax
- FR + FL
= 603 H - 3 H + 90 H = 690 H
Минимальная длительность фазы
ускорения (ограничение по усилию)
= 0.0022c = 2.2 мс
Минимальная продолжительность фазы
ускорения (ограничение по собственной частоте привода, в соответствии с пунктом
10)
= 0.036 с = 36 мс
Минимальная продолжительность фазы
ускорения
tB = tBmax = tBmin2 = 36 мс
Путь, проходимый поршнем за фазу
ускорения
= 0.5*0.168*0.036 = 0.003 м = 3 мм
в.) Фаза торможения
Максимальное усилие на поршне
= 136.7 Н
Максимальная сила торможения
FV = Fmax
+ FR - FL
= 136.7H + 3H - 90H = 49.7 H
Минимальная продолжительность фазы
торможения (ограничение по усилию)
= 0.030 с = 30 мс
Минимальная продолжительность фазы
торможения (ограничение по собственной частоте)
= 36 мс
Минимальная продолжительность фазы
торможения
tV = tVmax = tVmin2 = 36 мс
Путь, проходимый поршнем за фазу
ускорения
xV = 0.5 * tV * vL = 3 мм
г.) Выводы
Расстояния,
проходимые поршнем за время фаз ускорения и торможения, меньше общего хода
поршня XG. Вывод: движение происходит в три фазы.
д.) Фаза движения с
максимальной скоростью
Путь, проходимый поршнем с
максимальной скоростью
xK = xG
- xB - xV = 150
мм - 3 мм - 3 мм = 146 мм = 0.14 м
Продолжительность фазы движения с
постоянной скоростью
= 0.83 c = 833 мс
е.) Общая
продолжительность перемещения
tG = tB
+ tV + tK = 833
мс + 36 мс + 36 мс = 905 мс = 0.91 с
1.3 Проектирование
электрогидравлической схемы
В ходе выполнения работы была
спроектирована и создана следующая принципиальная электрогидравлическая схема,
описывающая работу робота-манипулятора. Фотографии собранной схемы представлены
на рисунках.
Стенд собирается из реальных
производственных компонентов фирмы FESTO (гидромоторы, гидравлические цилиндры,
датчики, пропорциональные распределители). На стенде реализуется система
управления на базе модуля аналого-цифрового ввода-вывода Festo EasyPort. Основными управляющими
исполнительными органами являются:
- пропорциональный
распределитель
- блок
усилителей
- задатчик
уставок
- модули
аналого-цифрового ввода-вывода
2. Разработка системы
управления стендом
.1 Разработка
структурной схемы системы управления
Общая схема системы управления
стендом представлена на рисунке 2.1
Рис. 2.1.
Структурная схема системы управления
Основным элементов управления
является модуль аналого-цифрового ввода-вывода Festo EasyPort. Ко входам модуля, как
показано на схеме присоединены датчики. Аналоговые выходы модуля подсоединении
к 2х канальному усилителю. Для подключения датчиков обратной связи к цифровым
входам используется универсальное соединительное устройство.
Процесс управления происходит следующим
образом:
Сигналы с аналоговых выходов модуля
(от 0 до 10 В) поступают на входы усилителей
Через усилитель сигналы поступают на
пропорциональные 4/3 распределители, посредством которых в свою очередь
регулируется движение цилиндра и гидромотора.
Обратная связь осуществляется с
помощью датчиков, подсоединенных ко входам модуля ввода-вывода:
) аналоговый датчик перемещения -
сигнал от 0 до 10 В в зависимости от положения штока цилиндра (0 - верхнее, 10
- нижнее)
) индукционный датчик - работает как
импульсный датчик для отсчета 10 оборотов гидромотора.
Описание датчиков и соответствующих
им входов см в приложении А (принципиальная электрическая схема)
2.2 Двухканальный
управляемый усилитель
. Напряжение питания +24 В
постоянного тока
. Напряжение питания 0 В
. Дисплей
. Выходы А и В
. Запуск выходов А и В
(разблокирование выхода)
. Вращающаяся ручка
. Многопозиционный переключатель
. Входы для внешних величин рабочих
точек.
. Внутренние величины рабочих точек.
Рис. 2.2 Двухканальный управляемый
усилитель.
Плата пропорционального усилителя
размещается внутри маленького электронного устройства. Электрические связи
действуют в виде 4-х мм разъёмов безопасности. Устройство установлено в
каркасном отделении лабораторного рабочего места или на профилирующей планке
посредством съёмных адаптеров. Плата усилителя используется для приведения в
действие пропорционального распределителя. Усилитель устроен таким образом, что
или 2 независимых соленоида (одноканальных), или один распределитель с двумя
соленоидами (двухканальные), например пропорциональный распределитель 4/3,
могут быть приведены в действие. Плата действует по выбору или как 2
одноканальных усилителя, или как 1 двухканальный усилитель.
Для этой цели, величины рабочих
точек / сигналы напряжения преобразуются в ток намагничивания, требуемый для
пропорционального распределителя. Это задание представлено двумя конечными
ступенями с широтно-импульсной модуляцией. Функция конечных ступеней может быть
сравнена с функцией переключателя. Включается на некоторый период и выключается
на некоторый период. Общая сумма двух периодов остаётся неизменной. Отношение
включения и выключения меняется в зависимости от величины рабочих точек.
Переключатель может оставаться включённым от нулевого времени и на весь период.
Чем дольше переключатель остаётся включённым, тем дольше ток проходит через
пропорциональный соленоид. В соленоиде, ток возрастает в соответствие с кривой
нагрузки катушки до максимальной величины, определённой поданным напряжением и
омическим сопротивлением, или ограниченной связанным со временем концом. Если
выключен, то ток падает в соответствие с разгрузочной кривой. Эти результаты в
токовой диаграмме похожи на зуб как видно на рисунке 2.3.
Рис. 2.3 Токовая диаграмма усилителя
Ток контролируется, так как
сопротивление катушки пропорционального соленоида меняется в соответствии с
температурой. Чтобы сделать это, ток проведён через резистор. Падение
напряжения через этот резистор проведено к регулятору тока. Конечные ступени
оснащены автоматическим предохранителем от перегрузки. Блок-схема
двухканального усилителя изображена на рисунке 2.4
Рис. 2.4 Блок-схема усилителя
Все входные сигналы сделаны через
многопозиционный переключатель и вращающуюся ручку на передней панели.
Накопитель действует с дальнейшим переключением многопозиционного
переключателя. Изменяющиеся данные показываются на дисплее и защищены от
перебоев в питании.- 2 одноканальных усилителя или 1 двухканальный
усилительBASIC, IB BASIC - Базовый ток на выходы А и ВJUMP, IB JUMP -
Скачкообразный ток на выходы А и ВMAX, IB MAX - Максимальный ток на выходы А и
В- добавочная частота- Контрастность дисплея/E - Выбор языка: Немецкий, АнглийскийW1,
INT W2 - Внутренние значения рабочих точек W1 и W2, W2 - Показ внешних значений
рабочих точек W1 и W2, IB - показ тока намагничивания на выходах A и B
Существует три разных тока
намагничивания. Базовый ток, скачкообразный ток и ток зависящий от значений
рабочих точек. Базовый ток зависим от параметра I Basic, а не от значения
рабочей точки. Скачкообразный ток зависим от полярности значения рабочей точки.
Касательно двухканального усилителя, это означает, что изменение положительного
значения рабочей точки на выходе А ведёт к резкому повышению тока из-за набора
значений. Соответственно, изменение на отрицательные значения рабочих точек
ведёт к скачку тока на канале В. Уровень значения рабочей точки не имеет
никакого эффекта на значение скачкообразного тока. Корреляция между значением
рабочей точки и током намагничивания зависит от нескольких факторов. Эти
факторы: максимальный ток I Max, статический ток I Basic, скачкообразный ток I
Jump и значение рабочей точки.
Значение I Max относится к значению
рабочей точки 10 B. Если нет базового тока и скачкообразного тока, усиление
равно:
Пример:
Если скачкообразный ток или базовый
ток есть, усиление падает. Как бы то ни было, максимальный ток остаётся на
таком же значении, как на I Max.
Пример:
Так как статический ток и
скачкообразный ток необязательно должны быть тождественны на обоих каналах, то
это может закончится разными усилениями на канале А и на канале В.
2.3 Модуль
аналого-цифрового ввода-вывода Festo EasyPort
В процессе работы EasyPort реализует
двунаправленную передачу сигналов управления в реальных процессах с помощью
низковольтной технологии (24 VDC) и ПК. С целью исключить возможность процессов, влияющих на
оборудование, используются электрически изолированные протоколы (opt couplers или оптические волокна)
для передачи данных между отдельными модулями EasyPort или PC.
Рис. 2.5 Схема соединения EasyPort и персонального
компьютера
Единовременно к волоконно-оптическим
каналам может быть подключено до восьми EasyPort модулей. Адреса настройки не
требуется - система подвергается самостоятельной настройке. Эта система
разработана и оптимизирована для учебных целей, но также может быть
использована и для других целей.D8A имеет восемь цифровых и четыре аналоговых
входа, а также восемь цифровых и два аналоговых выхода.
После проверки на наличие питания
модуль готов к работе и ждет задания начальных параметров работы персональным
компьютером пользователя через программное обеспечение LabView. Адресация назначается
автоматически, в соответствии с состоянием. В случае ошибки определения модуля,
модуль может быть определен программно, в случае если передача сигнала запроса
не прерывается. Передача данных в модуль EasyPort и из него осуществляется
посредством единой адресации команд чтения и записи.
Максимальное напряжение для питания
равное 30 В, а также для подключения входов и выходов из модуля EasyPort не
должно быть превышено. Электрические соединения должны проводиться только с
выключенными устройствами. В момент экстренного отключения электропитания
модуль должен переходить в режим безопасности и отключаться.
Связь между персональным компьютером
и модулем EasyPort обеспечивается, посредством электрически изолированного
интерфейса V.24. Дополнительные модули связаны между собой через оптические
волокна. Белый порт RING OUT всегда должен быть подключен к черному RING IN. Расстояние между
подключаемыми модулями EasyPort должно попадать в диапазон от 0.3 до 5 метров.
Рис. 2.6 Модуль ввода-вывода EasyPort D8A
Драйверы модуля под Windows EzDDE и EzOPC позволяют читать
сигналы, приходящие на EasyPort, при помощи обычных приложений Windows. Обмен данными
происходит посредством интерфейсов DDE (Dynamic data exchange (DDE) - механизм взаимодействия приложений в операционных системах Microsoft Windows) и OPC (технология связывания
и внедрения объектов в документы и объекты, разработанные корпорацией
Майкрософт.) Таким образом, визуализировать данные, получаемые с модуля,
позволяют обычные приложения Windows, такие как STEP7, In Touch или Microsoft Excel. Также эту функцию могут выполнить специализированные пакеты FESTO, такие как FluidSIM ® и Cosimir.
.4 Среда графического
программирования LabVIEW
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench - среда разработки лабораторных виртуальных приборов) является
средой программирования, с помощью которой можно создавать приложения,
используя графическое представление всех элементов алгоритма, что отличает ее
от обычных языков программирования, таких как С, C++ или Java, где
программируют, используя текст. Однако LabVIEW представляет собой значительно
большее, чем просто алгоритмический язык. Это среда разработки и исполнения
приложений, предназначенная для исследователей - ученых и инженеров, для
которых программирование является лишь частью работы. LabVIEW функционирует на
компьютерах, работающих под управлением всех распространенных операционных
систем: Windows, MacOS, Linux, Solaris и HP-UX.
Измерительная система, созданная в
LabVIEW, имеет большую гибкость по сравнению со стандартным лабораторным
прибором, потому что она использует многообразие возможностей современного
программного обеспечения. Компьютер, снабженный встраиваемой измерительно-управляющей
аппаратной частью, и LabVIEW составляют полностью настраиваемый виртуальный
прибор для выполнения поставленных задач. С помощью LabVIEW допустимо
создать необходимый тип виртуального прибора при очень малых затратах по
сравнению с обычными инструментами.создан для облегчения работы по
программированию задач.
Для этой цели имеется расширенная
библиотека функций и готовых к использованию подпрограмм, которые реализуют
большое число типичных задач программирования и тем самым избавляют от возни с
указателями, распределением памяти и прочего, присущего традиционным языкам
программирования. В LabVIEW также содержатся специальные библиотеки виртуальных
приборов для ввода / вывода данных со встраиваемых аппаратных средств
(data acquisition - DAQ), для работы с каналом общего пользования (КОП,
General Purposes Interface Bus - GPIB), управления устройствами через
последовательный порт RS-232, программные компоненты для анализа,
представления и сохранения данных, взаимодействия через сети и Internet.
Библиотека анализа (Analysis) содержит множество полезных функций,
включая генерирование сигнала, его обработку, различные фильтры, окна,
статистическую обработку, регрессионный анализ, линейную алгебру и арифметику
массивов.
Благодаря своей графической природе
LabVIEW - это пакет эффективного отображения и представления данных. Выходные
данные могут быть показаны в любой форме. Диаграммы, графики стандартного вида,
а также оригинальная пользовательская графика (user-defined graphics)
составляют лишь малую часть возможных способов отображения выходных данных.
Разработка приложений в среде
LabVIEW отличается от работы в средах на основе С или Java одной очень важной
особенностью. Если в традиционных алгоритмических языках программирование
основано на вводе текстовых команд, последовательно образующих программный код,
в LabVIEW используется язык графического программирования, где алгоритм
создается в графической иконной форме (pictorial form), образующей так
называемую блок-диаграмму (blockdiagram), что позволяет исключить множество
синтаксических деталей.
Рис. 2.7. Блок-диаграмма LabVIEW
В LabVIEW используется терминология,
рисунки иконок и основные идеи, знакомые ученым и инженерам. Этот язык
базируется на графических символах, а не на тексте для описания программируемых
действий. Основополагающий для LabVIEW принцип потока данных (dataflow),
согласно которому функции выполняются лишь тогда, когда они получают на вход
необходимые данные, однозначно определяет порядок исполнения алгоритма.
Виртуальные приборы являются
иерархическими и модульными (modular). Можно использовать их как
самостоятельные приложения (top-level programs), так и в качестве виртуальных
подприборов. Согласно этой логике, LabVIEW следует концепции модульного
программирования (modular programming). Вначале разделяется большая
прикладная задача на ряд простых подзадач. Далее создаются виртуальные приборы
для выполнения каждой из подзадач, а затем объединяются эти ВП на
блок-диаграмме прибора более высокого уровня, который выполняет прикладную
задачу в целом.
Технология модульного
программирования очень хороша, потому что можно работать с каждым ВПП по
отдельности, что облегчает отладку приложения. Более того, ВПП низкого уровня
часто выполняют задачи, типичные для нескольких приложений, и поэтому могут
использоваться независимо во многих отдельных приложениях.
Также LabVIEW удобно применять для
сбора данных. Сбор, или ввод / вывод данных (Data Acquisition - DAQ),
упрощенно можно определить как процесс измерения реального сигнала, например
электрического напряжения, и передачи этой информации в компьютер для
обработки, анализа, преобразования и хранения.
Для взаимодействия с датчиками
LabVIEW управляет многофункциональными платами ввода / вывода, чтобы считать
аналоговые входные сигналы или сформировать аналоговые выходные сигналы,
считать и записать цифровые сигналы, может также запрограммировать встроенные в
DAQ-платы счетчики для измерения частоты сигналов или генерации
последовательности импульсов и т.д. Например, аналоговый входной сигнал
(электрическое напряжение) поступает с датчика на плату ввода / вывода, которая
преобразует напряжение в код и отправляет эту информацию в память для
обработки, хранения и других операций.
Шум, нелинейность, перегрузки и т.д.
способны безнадежно исказить сигнал и тут LabVIEW вряд ли поможет.
Преобразование сигнала очень часто является не вспомогательной, а обязательной
задачей, поэтому вначале следует изучить измерительную часть, а уж потом
приступать к программированию.
Для получения данных в лаборатории с
использованием технологии виртуальных приборов понадобится многофункциональная
плата ввода / вывода (DAQ-плата), компьютер с установленной средой LabVIEW и
драйверами применяемой платы сбора данных, а также соединение датчика с платой
при помощи, например, терминального блока, макетной платы, кабеля или провода.
Может также потребоваться оборудование для согласования сигнала - в зависимости
от особенностей задачи.
В данной работе управление платой
ввода вывода осуществляется с помощью технологии ActiveX., технология компании
Microsoft, является архитектурой, основанной на компонентах, для создания
приложений, которые могут взаимодействовать друг с другом. ActiveX базируется
на ранних технологиях, таких как OLE. Использование ActiveX позволяет одному
приложению разделять права доступа к части программного кода (или компоненту) с
другим приложением. Например, поскольку Microsoft Word является компонентом
ActiveX, можно вставлять документ Word (и управлять им) в другую программу,
совместимую с ActiveX, например в виртуальный прибор LabVIEW. LabVIEW
поддерживает автоматизацию ActiveX и способен содержать в себе компоненты
ActiveX.
2.5 Разработка
управляющей программы
Схема управления автоматизированным
стендом, выполненная в среде графического программирования LabView 7.1 представлена в
приложении А.
Начальное положение - шток цилиндра
в нижнем положении. На на аналоговом входе модуля ввода-вывода - 10 В. После
запуска программа должна запустить технологический процесс - подъем цилиндра с
грузом, затем отсчет 10 оборотов вала гидромотора и опускание штока цилиндра.
При приближении штока цилиндра к
крайним точкам и вала гидромотора к точке остановки программа уменьшает
скорость перемещения для обеспечения более точной остановки. Также программа
производит снятие циклограмм движения (зависимость перемещения и скорости от
времени).
3. Результаты и
практическое применение
В результате проведенной работы
достигнуты следующие результаты:
Создан автоматизированный стенд для
исследования характеристик гидроприводов и систем управления ими, построенный
на базе
пропорциональной гидравлики фирмы
Festo и оснащен системой управления. Фотография стенда представлена на рисунке
3.
Рис. 3. Автоматизированный стенд
Разработана аппаратная часть системы
управления на базе модуля аналогово-цифрового ввода-вывода Festo EasyPort
Разработана программная часть
системы управления в виде программного обеспечения для программирования и
контролирования технологических процессов (в среде LabView 7.1)
Разработан комплект схем и
технической документации к системе управления;
Области возможного использования:
Практическое применение
разрабатываемого стенда подразумевает использование его, как уже упоминалось
выше, в образовательном процессе для изучения характеристик гидроприводов и
принципов управления ими. Следует отметить, что программная часть системы в
данном случае может иметь более широкое применение:
как средство программирования
технологической последовательности;
как наглядный образец для разработки
подобных систем самими обучающимися;
как образец для изучения принципов
управления на основе аналого-цифрового ввода-вывода
как средство для изучения систем
контроля и измерения на базе LabView
Данная система, при необходимости,
может быть использована (при расширении возможностей ее аппаратной и
программной части) в области управления реальными промышленными установками.
Заключение
По результатам проделанной работы
можно сделать следующие выводы:
В ходе работы был автоматизированный
стенд для исследования арактеристик гидроприводов и систем управления ими, в
основу которого легли компоненты пропорциональной гидравлики фирмы FESTO.
Спроектированный робот удовлетворяет
требованиям технического задания, а также обладает следующими свойствами:
Состоит
из компонентов фирмы FESTO, которые обладают высокой степенью интеграции, следовательно он
имеет возможность перестроения, расширения и модификации
Благодаря
использованию гидравлических исполнительных устройств, робот обладает высокой
степенью надежности и быстродействия, а также способен развивать большие усилия
Система
управления и ПО просты и удобны в настройке, эксплуатации и, кроме того, имеют
возможность легкой модификации и расширения
Преимущества системы управления с
использованием модуля аналого-цифрового ввода-вывода FESTO EasyPort:
1. Возможность управления напрямую
через ПК с одновременным снятием циклограмм движения.
2. Возможность намного более
точного позиционирования (по сравнению с системой управления на базе
дискретного ПЛК)
3. Возможность плавного
регулирования скорости.
. Система управления
реализуема при минимальном количестве датчиков ОС
. ПО представлено в виде
схемы, разработанной в среде графического программирования LabView 7.1 и является достаточно
наглядным и легко модифицируемым
Недостатки:
1. Невозможность реализации
автономной работы стенда без участия ПК
2. Невозможность
программирования данной модели Festo EasyPort на универсальных языках программирования.
. Некоторая сложность
разработки ПО для стенда в среде LabView.
Список литературы
1. Батоврин В.К.,
Бессонов А.С., Мошкин В.В., Папуловский В.Ф. LabVIEW: практикум по основам
измерительных технологий. Москва 2005 г. - 207 с.
2.
Коллектив авторов под руководством Д. Шмида. Управляющие системы и автоматика.
Перевод с немецкого Л.Н. Казанцевой. «Техносфера», Москва 2007 г.
3. Тревис Джеффри. LabVIEW для всех. Перевод с
английского Клушина Н.А. под ред. Шаркова В.В., Гурьева В.А., Москва 2005 г. -
539 с.
4.
Френкель Н.З. Гидравлика, Госэнергиздат, М. - Л.: 1956. - 456 с.
5. Шейпак А.А.
Гидравлика и гидропневмопривод. Учебное пособие. Москва 2003 г.