Мехатроника философиясы

Мехатрондық қозғалыс модульдері

     МЖ-гі орындаушы құрылғылар қажетті  механикалық қозғалысты алу үшін  арналған. Төменде МЖ модулін  ұсынған орындаушы құрылғылар  қарастырылған, ол басқару құрылғысынан  (БҚ) және орындаушы деңгейге жататын  ақпаратты-өлшеу құрылғысынан (АӨҚ), механикалық энергияны беретін  қорек көзінен (Д), және қосымша  механикалық құрылғылар жалғастырғыш (муфты), тежегіш(Т), беріліс мехнизімінен (БМ) тұрады. Айтылған орындаушы құрылғы мехатрондық қозғалыс модулі деп аталады (МҚМ).  

     3-сурет. Мехатронды қозғалыс модулінің блок-схемасы 

     МҚМ құрамы жағынан МЖ құрамында да, немесе өздігінше техникалық құрылғы  ретінде және әртүрлі машиналарда  қолданылуы мүмкін.

Ескерте кететін бір жай, әдебиеттерде кездесетін әртүрлі терминалогиялық түсініктерге байланысты, басқарушы және орындаушы  жетектер, сервожетектер, сервомеханизмдер, бақыланатын жетектердің бәрі МҚМ-ге сәйкес сипаттамалары бар, сондықтан МҚМ-ге жатқызуға болады.

     МҚМ МЖ-нің базалық функционалдық  элементі болып табылады, ол МЖ-нің  барлық қасиеттері мен мүмкіндіктерін анықтайды.Әрине, қоғамның және байланыстың  жоғары даму кезінде, жоғары технология элементі болғандықтан МЖ және МҚМ-ге әртүрлі көрсеткіштері бойынша  жоғары талаптар қойылады.    Осылайша ,мысалы, МҚМ айнымалы динамикалық  сипаттамалар шартында жұмыс істеуі қажет. Және де олар кері факторларға  әсер етпеуі тиіс. Үлкен жүктеме кезінде МҚМ осы жүктеменің  демпфирлеумен қамтамасыз ету қажет.

     МҚМ-ге қойылатын маңызды шарттардың бірі салмаққа қуаттың үлкен қатынасы. Жалпы салмақты және өлшемдерді кішірейту  МҚМ-дің сипатты үрдісі болып  табылады.МҚМ қозғалысты басқаруды  орындайтын мехникалық энергияны түрлендіретіндіктен, МҚМ-ге келесідей талаптар қойылады жылдамдық, қозғалыс байсалдығы, жоғары жүктемелік қасиеті, дірілдің болмауы. Пайдалану кезінде МҚМ нақты  берілген қозғалыспен қамтамасыздандыру  қажет, жоғары шу көздері болмауы  керек, пайдалануда қауіпсіз және ыңғайлы  болу керек. Нарық талаптарына сәйкес МҚМ төмен бағалы, сәйкес үлгіжобасы, және ыңғайлы адам-машиналық интерфейсі болу керек. 

     Практикада  көптеген белгілермен ерекшеленетін  арнауы әртүрлі МҚМ кездеседі. Негізгі  ерекше белгісі мехникалық энергияны  түрлендіретін қорек көзі болып  табылады. Осы белгілері бойынша  МҚМ пневматикалық, электрогидравликалық және электрлік болып бөлінеді. Кейбір МЖ құрамына әртүрлі белгілері бар  МҚМ кіреді. Осы МҚМ әр қайсысына  толық тоқталайық.

     Пневматикалық МҚМ

   Пневматикалық МҚМ-де мехникалық энергияны түрлендіруші пневмоқозғалтқыштар сызықты (пневмоцилиндр) және айналмалы қозғалысты(бұрылмалы  пневмоқозғалтқыштар) болып табылады. МҚМ-дің пайдалану аймағы өндірістік роботтытехника, дәлдігі жоғары емес жетектерде, екіқалыпты мехнизм жетектерінде(қақпақ, ұстау) және қарапайым өндірістік автоматтарда.   Мехникалық қозғалысты тікелей орныдау  үшін пневматикалық МҚМ құрамына: біржақты және екі жақты қозғалыс пневмоқозғалтқыштары, толықбұрылмайтын пневмоқозғалтқыштар, пневмомоторлар, мембраналық камералар және т.б. кіреді.  Қозғалтқыштарды басқару  және жұмыс жасату үшін қосымша құрылғыларға мыналар кіреді: үлестіруші аспап, әртүрлі  пневмоқақпақтар, пневмодросселдер, қысымды айқындағыш және түзетуші, ауаны дайындау аспабы және т.б. Пневматикалық МҚМ басқару үшін микропроцессорлық басқару модулі және де ағымды автоматқа негізделген басқару жүйесін қолдануға болады.

    4-сурет. Пневматикалық МҚМ

    Пневмоцилиндрдің  сояуыш күйі потенциометрлмен өлшенеді(П), оның сигналы қорек көзінен қоректенетін(ҚК) сервокүшейткіштерге түседі(СК). Сервокүшейткіш сигналды пневмоцилиндрге ауаның келуін басқаратын сервоүлестірушіге береді.  

Пневматикалық МҚМ негізгі ерекшеліктері:

• жылдамдығы;
• шығысында күшті басқару мүмкіншілігі;
• қосымша мехникалық берілісті талап еткізбейтін қарапайым құрылысты;
• пайдалануда қарапайымдылығы;
• от және жарылу қауіпсіздігі;
• ағымды автоматиканы қолдану мүмкіншілігі.

  Алайда  пневматикалық МҚМ-ді қолдануды  шектейтін себептері де бар. Пневматикалық  МҚМ-дің мәнді жетіспеушіліктері  де бар, солардың маңыздысы ауаның қысылуынан берліген нақты қозғалысты және орнын анықтау мүмкін емес. Және де пневматикалық МҚМ төмен жұмыс қысыммен шартталған төмен қуатты болады, қозғалыс байсалдылығымен (плавность) қамтамасыз ете алмайды,  ауаны дайындау құрылғысын талап етеді. Алайда, болашақта пневматикалық МҚМ қолдану аумағын кеңейту үшін пневмоавтоматика элементтері мен құрылғылары жасалуы мүмкін.  

Электромеханикалық  МҚМ

      Әртүрлі аумақтарда қолданылатын  МЖ-де ең кең қолданылатын электромеханикалық  МҚМ болып табылады. Бұны келесідей  түсіндіруге болады, жоғарыда айтылған  МҚМ-мен салыстырғанда, ның бағасы  арзан, құрылысы қарапайым, шу  деңгейі төмен және жоғары  сенімділігі бар. Электромеханикалық  МҚМ-дер мехатрондық жүйе құрамына  кіреді немесе өзінше бір жүйе  бола алады. Электромеханикалық  МҚМ құрылымы жоғарыда келтірілген  МЖ құрылымына ұқсас. Электромеханикалық  МҚМ құрамына электрлік қозғалтқыш  кіреді, ол қозғалыстың механикалық  түрлендіргіші арқылы орындаушы  мехнизмге немесе тікелей жұмыс  органына әсер етеді. Электрлік  қозғалтқышты және толықтай МҚМ  басқару үшін МПС басқару жүйесі  және ақпаратты-өлшеу жүйесі бар.МҚМ  жұмыспен қамтамасыздандыру үшін  оның құрамына БЖ және де  электрлік қозғалтқыш үшін қорек  көзі бар. Электрлік параметрлері  бойынша МҚМ екіге бөлінеді: тұрақты  тоқты электрлік қозғалтқышы  бар МҚМ және айнымалы тоқ.  Төменде электрқозғалтқышы үшін  келесідей белгілеулер енгізілген:

1. магнитті электрлік,оларда магниттік өріс  тұрақты магнитпен жасалады;
2. қозу орамы жеке қорек көзінен қоректенетін, тәуелсіз қозатын электромагнитті;
3. якорь және қозу орамы бір қорек көзімен паралеллель жалғанатын паралелльді қозуы бар электромагнитті;
4. якорь және қозу орамы қорек көзіне тізбектей қосылған тізбекті қозуы бар элетромагнитті;
5. аралас қозуы бар электромагнит, мұнда қорек көзіне якроь мен қозу орамы екі схемамен қосылады;
6. қысқатұйықталған ротормен;
7. фазалық ротормен;
8. электромагнитті;
9. магнитоэлектрлік;
10. белгілі полюсті (магниттік қатынаста симметриялы емес)
11. белгісіз полюсті- (магниттік қатынаста симметриялы).

 
 

    5-сурет. Біріктіру сұлбалары 

     МҚМ басқару үшін қорек көзі мен электрлік  қозғалтқыш арасында күштік түрлендіргіш құрылғысы бар. Күштік түрлендіргіштер  жұмыс істеу принципі бойынша  келесі топқа бөлінеді:

• енді-ипульсті түрлендіргіштер(ЕИТ);
• басқарылатын түзеткіштер (БТ);
• басқарылмайтын түзеткіштер(Т);
• автономды инверторлар (АИ);
• жиілікті тікелей түрлендіргіш (ЖТТ).

     Функционалды  түрде ЕИТ шығыста қорек көзінің  тұрақты кернеуін тұрақты реттелетін кернеуге түрлендіреді.

     Басқарылатын  түзеткіш  f = 50 Гц жиіліктегі айнымалы кернеуді тұрақты кернеуге түрлендіреді.

     Автономды инвертор тұрақты кернеудің жиілігі реттелетін айнымалы кернеуге түрлендіреді.

     Жиілікті  тікелей түрлендіргіші f = 50 Гц жиілікті айнымалы кернеудің жиілігі реттелетін айнымалы кернеуге түрлендіреді.

Ескерте кетейік, айынамлы тоқ қозғалтқыш бағасы тұрақты тоқ қозғалтқыштан арзан, себебі біріншісі жаппай өндіріс  технологиясына икемді, ал екіншілері-қолмен жиналады. Алайда айнымалы қорек көзінен  қоректенетін айынамалы тоқты электромеханикалық МҚМ-дің кедергісі де жиілігі  де реттеледі. Мұндай МҚМ-де ЖТТ немесе БТ+АИ, Т+АИ бірікпесі қолданылады, тұрақты  тоқ көзінен қоректенген кезде  АИ қолданылады. Осы айтылған қосымша  құрылғылар тұрақты тоқты МҚМ  құрылысын күрделендіреді және бағасын  жоғарлатады. Сондықтан тұрақты  тоқты элетромехникалық МҚМ-дер  айнымалы тоқты МҚМ-ге қарағанда  кең қолданылады.  Алайда айнымалы тоқ МҚМ–де мехникалық сипаттамалары  жағынан тұрақты тоқ қозғалтқыштарына ұқсас вентильді қозғалтқышты қолдану  тиімді деуге болады.

     Тұрақты тоқ қозғалтқышты МҚМ-де тәуелсіз қозуы  бар және электромагниттік қозғалтқыштар  көп қолданылады. Түрлендіргіш ретінде  сызықты мехникалық көрсеткішпен және кең реттеу диапазонмен қамтамасыз ететін кең импульсті түрлендіргіштер  қолданылады. Мысалы, 100000:1 дейін жылдамдықты  реттеу диапазоны бар, 100 Гц өткізу жолағы бар және 10есе аса жүктеу қасиеті  бар электроқозғалтқыштар белгілі.

     Микропроцессорық  басқару құрылғысының шығыс порттарының  қуаты төмен екені белгілі (100 мВт), сондықтан олар тікелей орындаушы  құрылғыны басқара алмайды. Енді-импульс  түрлендіргіштерін пайдалана отырып қозғалтқышқа қорек көзін қосып қана қоймай, қажет болғанда бұрылу бағытын өзгерте отырып қозғалтқыш үймегінің (вал) бұрылу жылдамдығын реттеуге мүмкіндік береді. Кірісіне басқару комплексінен сигнал берілетін ЕИТ-де өзінің басқару жүйесі болады. 

     

     6-сурет. ЕИТ басқару жүйесі 

      ЕИТ-тің  басқару жүйесі генератордан(Г), аратәріздес  кернеу генераторы(АТГ), салыстыру схемасы (СС), импульстарды үлестіруші(ИҮ) және күшейткіштен (К) тұрады. Үлкен қуаттарды  басқару кезінде (>100 Вт) БҚ мен ЕИТ  арасында тікелей электрлік байланысы  болмауы қажет. Себебі, біріншіден ЕИТ  бөгет көзі ретінде БҚ әсер етпеуі қажет, екіншіден тесіліп өту кезінде электрлік байланыс арқылы қорек көзінің жоғары кернеуі БҚ зақымдау мүмкін. Бұл мәселені шешу үшін ИҮ пен Т арасына галваникалық түйінді енгізеді, мысалы, басқару сигналдары оптотранзисторлар арқылы беріледі.

        Жұмыс кезінде қауіпсіздік пен сенімділікпен қамтамасыз ету үшін, ЕИТ электрлік схемаларды құрастырған кезде қуатты жоғалтудан сақтануды алдын-ала ескереді. Бұл схемада ТК1-ТК4 транзисторлық кілттері бар(суретте олар штрих-пунктирлі сызықпен қоршалған).Транзисторлық кілттер VT1 – VT4 транзисторлардан және оларға паралелльді VD1-VD4 диодтар қосылған, олар кілт жабылған кезде тоқтың ағымдық контурын жасау үшін және асажүктеуден сақтандыру үшін қажет. ТК басқарудың екі түрі бар: симметриялы және симметриялы емес. Симметриялы әдіс кезінде  ТК1, ТК4 және ТК2, ТК3 жұпталып және фазаға қарсы жұмыс істейді. Симметриялы емес әдіс кезінде ТК3 және ТК4 фазалық топтың транзисторлық кілттері қайта қосылады, ТК1 кілті ашық және қаныққан, ал ТК2 кілті жабық. ТК3 және ТК4 транзисторлық кілттері қарсы фазада қайта қосылады. Симметриялы әдіс шығысында екіполярлы өзгеріспен қамтамасыз етіледі. Симметриялы емес басқару керісінше жүктемеде бірполярлы кернеуді береді. Енді-импульс реттеуі кезінде қозғалтқыш якорінің кернеуінің U_с орта мәні, амплитуданың өзгеріссіз мәні U кезінде оң(t₁) және кері (t₂) импульстардың ұзақтығы арқылы реттеледі.Осыдан: 

                                                ,

мұнда Т = t₁+ t₂ –кернеудің өзгеру аралығы.

        Егер біркелкі қосу ұзақтығын g= t₁/Т арқылы белгілесек, онда келтірілген формуланы келесідей жазуға болады:  

                                              .

Бұдан шығатыны, g=0,5 кезінде якордің орта кернеуі нольге тең.

     g>0,5 кезінде кернеу U_c>0  болады, яғни t₁ үлкен және якорь үймегі оң бағытта айналады.

      g<0,5кезінде кернеу U_c<0болады, яғни кернеу абсолюттік мәні бойынша t₂ үлкен болады және якорь үймегі қарама-қарсы бағытта айналып реверс жасайды.

     Ескерте кетейік, түрлендіргіштер туралы әдебиеттер өте көп(8-30).

      Электромеханикалық  МҚМ-ден қадамдық қозғалтқыштарды  ерекшелеуге болады. Ең көп таралған қадамдық МҚМ екі түрі бар. Бірінші  МҚМ қозғалтқышында тұрақты магнитті роторы бар.Бұл жағдайда статор орамынан шыққан магнитік өріс пен ротордың қозу өрісінің әсерлесу нәтижесі қолданылады.

     Қадамдық  МҚМ-нің екінші түрінде магниттік  кедергінің ауалық саңылау бойындағы  айнымалысы және қозбаған роторы бар  қозғалтқыш қолданылады.  Осыдан магнитті жұмсақ темірден жасалған қозбаған ротордан және статордың орамының арасынан шыққан магниттік өрістерге соленоидті өзара әсер ету қағидасы қолданылады. Қадамдық қозғалтқыштың негізгі  ерекшеліктерінің бірі аз жиілікте жұмыс  істеген кезде позициялану қатесі болмайды.. Бір қадамда кеткен қате, қадам саны көбейген сайын өспейді. Әдетте қадамдық МҚМ қозғалтқыштарына кіші қадамды өтеу және импульстің жиілігін көбейту талаптары қойылады. Қадамдық МҚМ-де тұйықталмаған басқару жүйесі болады. 

     МҚМ үшін  қадамдық қозғалтқышты таңдау кезінде импульс жиілігі 300 имп/с  аспаған жағдайда активті қозғалтқыш түрі нақты бекітумен қамтамасыз етеді. Айнымалы магнитті кедергісі  бар қадамдық қозғалтқыштың басқа  түрі нақты бекітуді қажет етпеген  жағдайда және  импульс жиілігінің саны  1200 имп/с аспаған жағдайда қолданылады..