Automated control system of manipulator

全文:

В перспективных направлениях промышленности, таких как ракетно-космическая техника и станкостроение, актуальной является задача увеличения точности приводов ориентирующих устройств. Обычно для решения этой задачи используются многозвенные рычажные манипуляторы либо гибкие манипуляторы [1]. В некоторых областях техники является перспективным применение роботов-манипуляторов на основе механизмов параллельной кинематики. Применение механизмов параллельной структуры эффективно в механической обработке изделий сложной формы (например штампов, пресс-форм, лопаток турбин и т. д.), когда требуется перемещение инструмента по пяти-шести координатам [2]. В отличие от традиционных манипуляторов, структуры с параллельной кинематикой содержат замкнутые кинематические цепи и воспринимают нагрузку как пространственные фермы [3]. Их звенья работают на растяжение и сжатие, что обеспечивает жесткость всей конструкции и, как следствие, повышение точности позиционирования схвата. В работе [4] рассматриваются математические и имитационные 161 Технологические процессы и материалы модели кинематики и динамики некоторых параллельных механизмов, а также задача оптимизации их формы и размеров. Достоинствами манипуляторов, построенных на основе параллельных механизмов, являются большая точность и жесткость, высокие рабочие нагрузки по сравнению с традиционными роботами-манипулято-рами [5]. Вместе с тем рассматриваемые станки имеют определенные недостатки, существенно ограничивающие область их преимущественного использования по сравнению со станками традиционной структуры [1]. Значительным недостатком является то, что даже простейшие прямолинейные перемещения инструмента вдоль основных координатных осей требуют одновременного изменения длин всех штанг, работы приводов и обеспечения точности результирующего перемещения интерполяцией всех составляющих перемещений. Применение механизмов параллельной структуры невозможно без решения прямой и обратной задач кинематики манипуляторов, которые решаются сложнее, чем для традиционных манипуляторов. Иногда аналитическое решение не может быть найдено [2]. Для управления приводами механизма создана программа, управляющая тремя сервоприводами с компь ютера. Решение обратной задачи кинематики манипуляторов должно быть проведено до использования программы [3]. В программу вводятся данные о требуемых углах положения трех приводов. Заданные данные о положении приводов преобразуются, и на их основе генерируются управляющие сигналы. Далее они передаются через USB-порт к аппаратному преобразователю USB-UART. Затем управляющие сигналы поступают на контроллер сервоприводов, который генерирует ШИМ-сигналы к сервоприводам. САУ состоит из программы, работающей на компьютере, преобразователя сигналов USB-COM и контроллера СП. Схема САУ показана на рис. 1. Компьютерная программа управления сервоприводом выполняет следующие функции: - принимает команды о требуемых перемещениях сервоприводов из автоматически сформированного файла или введённые оператором; - принимает из файла данные о требуемых перемещениях сервоприводов (процедура ExeString на рис. 2); - рассчитывает количество шагов (процедура MovServo на рис. 2); - отправляет управляющие сигналы (номер двигателя, требуемое положение) в порт компьютера (процедура Serial на рис. 2). Рис. 1. Функциональная схема САУ: МК - микроконтроллер Рис. 2. Функциональная схема работы управляющей программы 162 Вестник СибГАУ. № 1(53). 2014 Оператор имеет возможность управлять каждым сервоприводом в отдельности по следующим командам: - переместить на шаг назад (кнопка «<») или вперед (кнопка «>»); - переместить в крайнее левое положение (кнопка «<<») или в крайнее правое положение (кнопка «>>»), или в среднее положение (кнопка «0»); - перейти в заданный угол (угол задается в соответствующем поле, потом нужно нажать кнопку «ОК»). Также возможно синхронное управление двигателями (конечный угол задается в соответствующем поле, потом нужно нажать кнопку «Выполнить»). Кроме того, имеется возможность экспорта команд перемещений из файла и их выполнения. При этом используются команды, приближенные к G-коду. Данные возможности важны при управлении устройствами параллельной кинематики, так как в таких устройствах допустимые координаты положения каждого привода зависят от координат положения остальных приводов из-за кинематической замкнутости механизма. Поэтому необходимо синхронное перемещение приводов. Как видно из рис. 2, если необходимо перемещение одного сервопривода, происходит обращение к процедуре MovServo, в которую поступают данные: номер привода, позиция. блок-схема алгоритма этой процедуры представлена на рис. 3. Если необходимо синхронное вращение приводами, используется процедура обработки строки ExeString, в которую поступают данные в виде строки, содержащей требуемое положение трех приводов. После расчета параметров процедура MovServo или ExeString отправляет в порт к контроллеру команды о требуемом положении приводов при помощи процедуры Serial, а также обновляет данные на экране. Интерфейс управляющей программы представлен на рис. 4. В соответствии со схемой САУ (рис. 1) для отладки и тестирования САУ создан исследовательский стенд (рис. 5), который включает в себя: - компьютер с работающей на нем программой управления сервоприводами; - аппаратный преобразователь USB-UART; - контроллер сервоприводов на базе микроконтроллера Atmega16; - подставку из оргстекла с тремя сервоприводами и градуированными шкалами. Создана компьютерная программа для управления сервоприводами. Программа написана специально для управления приводами пространственных механизмов с параллельной кинематикой. Реализована возможность синхронного перемещения по нескольким координатам. Исследовательский стенд позволяет тестировать и отлаживать САУ. При помощи стенда проверена работоспособность предложенного решения по управлению сервоприводами. Также проверена точность отработки требуемых углов положения приводов. Таким образом, поставлена и решена задача создания САУ сервоприводами. Возможно использо вание полученных результатов при разработке систем управления манипуляторами, приводимыми в движение сервоприводами. Рис. 3. Блок-схема алгоритма процедуры перемещения сервопривода MovServo СДУ СгрЛОПрИПОДПА в а Г Поиск СО Моортое СОМС 000*0 ><120 Г,01 X180y1J07100 СМР5С0 Г,01 X10y10710F700 G04P500 Г,01 Х100у100 7100 F700 ОООХО»ОЛ). Смцс. Отправлено и гюрт - ( Оифмп. Л-ч теп» 1 JO OK Tnryiunr i [« ы • ы»: Ov^unra. 0>wcivnb НЗИЕ л--.™* 3 Ожемч. WA' 180 ОМ Imjuinri [ Л------ ' 1 « I < 1 « 1 > 1 » 1 Трявум^яо* (011020 Скорость э '/с Рис. 4. Интерфейс программы управления сервоприводами

作者简介

Roman Mirzaev

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

Email: ramirzaev@mail.ru
postgraduate student of Technical Mechanics

Nikolay Smirnov

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

Email: smirnov@sibsau.ru
Doctor of Engineering Science, professor, director of the Institute of rocket and space technology, Head of the Department of Technical Mechanics

参考

补充文件