Электрогидравлический следящий привод робота

 

Использование: в системах управления промышленными роботами и манипуляторами . Сущность изобретения: корректирующее устр-во обеспечивает инвариантность качественных показателей привода к переменным параметрам нагрузки. Подстройку параметров осуществляют на основе информации о моментных воздействиях на привод. Эта информация снимается с выходов второго и шестого сумматоров и с помощью блока деления, а также первого, второго, четвертого и пятого блоков умножения вводится в корректирующее устр-во и обеспечивает соответствующую корректировку входного сигнала. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ((9) (1! ) (я)5 F 15 В 9/03

ГосудАРстВенный комитет

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ . К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4872827/29 (22) 11,10.90 (46) 15,06.92. Бюл. № 22 (71) Дальневосточный политехнический институт им. В.В.Куйбышева (72) В.Ф,Филаретов (53) 62-521(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1432280, кл. F 15 В 9/03, 1987. (54) ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ СЛЕДЯЩИЙ ПРИВОД РОБОТА (57) Использование: в Системах управления промышленными роботами и манипулятоИзобретение относится к гидроавтоматике и может быть использовано в системах управления промышленными роботами и манипуляторами.

Цель изобретения — повышение точности и устойчивости.

На фиг.1 изображена блок-схема злектрогидравлического следящего привода: на фиг.2,— кинематическая схема робота.

Электрогидравлический следящий привод робота содержит последовательно соединенные измеритель 1 рассогласования, первое дифференцирующее звено 2 с замедлением, блок 3 деления, второе дифференцирующее звено 4 с замедлением, первый блок 5 умножения, первый сумматор 6, второй блок 7 умножения, первый усилитель 8, привод 9 регулирующего органа насоса 10, связанного гидролиниями 11 и 12 с гидромотором 13 с редуктором, выходной вал 14 которого кинематически связан с рабочим органом робота и первым датчиком 15 положения, подключенным своим выходом к второму входу измерителя рами. Сущность изобретения: корректирующее устр-во обеспечивает инвариантность качественных показателей привода к переменным параметрам нагрузки. Подстройку параметров осуществляют на.основе информации о моментных воздействиях на привод. Эта информация снимается с выходов второго и шестого сумматоров и с помощью блока деления, а также первого, второго, четвертого и пятого блоков умножения вводится в корректирующее устр-во и обеспечивает соответствующую корректировку входного сигнала. 2 ил.. 1 рассогласования, выход которого через апериодическое звено 16 второго порядка подключен к второму входу первого сумматора 6, последовательно соединенные первый квадратор 17, третий блок 18 умножения, второй сумматор 19, второй вход которого подключен к выходу первого источника 20 опорного напряжения, а выход,ф, — к вторым входам первого 5 и четвертого 21 (" блоков умножения, первый вход последнего р соединен с первым входом пятого блока 22 умножения и выходом блока 3 деления, а выход через первое апериодическое звено

23 nepaoro порядка — с третьим входом первого суммвторв о. ввтввртыд вход которого через второе апериодическое звено 24 пер- вв ваго порядка соединен с выходом пя гого, блока 22 умножения, последовательно соединенные третий сумматор 25, первый и вто: рой входы которого соответственно подключены ко второму входу пятого блока

22 умножения и второму источнику 26 опорного напряжения, и второй усилитель 27, выход которого подключен ко второму входу

1740806 второго блока T умножения, а второй вход блока 3 деления — к выходу третьего сумматора 25, последовательно соединенные второй датчик 28 положения, четвертый сумматор 29, второй вход которого подлючен к выходу третьего источника 30 опорного нап ряжения, пятый сумматор 31 и шестой блок 32 умножения, а также датчик 33 усилия, четвертый источник 34 опорного напряжения и первый датчик 35 скорости. Кроме того, он дополнительно содержит последовательно соединенные третий датчик 36 положения, первый функциональный синусный преобразователь 37 и второй квадратор 38, выход которого подключен к третьему входу второго сумматора 19, последовательно соединенные третий усилитель 39, второй функциональный синусный преобразователь 40, седьмой блок 41 умножения, второй вход которого подключен к

- выходу второго датчика 42 скорости, восьмой блок 43 умножения и шестой сумматор

44, выход которого подключен к первому входу третьего сумматора 25, а его второй вход через девятый блок 45 умножения — к вых ду первого датчика 35 скорости, последовательно соединенные пятый источник 46 опорного напряжения и седьмой сумматор

47, вь ход которого подключен к второму входу восьмого блока 43 умножения, последовательно соединенные шестой источник

48 опорного напряжения и восьмой сумматор 49, первый вход которого через третий квадратор 50 подключен к выходу четвертого сумматора 29, его второй вход через десятый блок 51 умножения к выходу шестого блока 32 умножения, а выход — к вторым входам третьего блока 18 умножения и седьмого сумматора 47, а также последовательно соединенные девятый сумматор 52, первый и второй входы которого соответственно подключены к выходам шестого блока 32 умножения и четвертого сумматора

29, и одиннадцатый блок 53 умножения, второй вход которого подключен к выходу первого квадратора 17, а выход — к второму входу девятого блока 45 умножения, причем вход первого квадратора 17 через третий функциональный косинусный преобразователь 54 подключен к выходу второго датчика

36 положения и входу третьего усилителя

39, выход датчика 33 усилия — ко второму входу шестого блока 32 умножения, второй вход пятого сумматора 31 — к выходу четвертого источника 34 опорного напряжения, а второй вход десятого блока 51 умножения— к выходу пятого сумматора 31.

Электрогидравлический следящий привод работает следующим образом.

На вход следящего привода подается управляющее воздействие q I, обеспечивающее требуемый закон управления.

На выходе элемента 1 сравнения выра5 батывается сигнал ошибки д, который после коррекции в блоках 2-7 и 16, усиливаясь, поступает на привод 9 регулирующего органа насоса 10, который, создавая поток рабочей жидкости в гидролиниях 11 и 12, 10 воздействует на гидромотор и редуктором

13, выходной вал которого изменяет положение объекта управления, уменьшая рассогласование д . Электрогидравлический привод при работе с различными грузами, 15 а также за счет взаимовлияния степеней подвижности исподнительногс органа обладает переменными моментными характеристиками, которые могут меняться в широких пределах. Это снижает качественные пока20 затели работы гидропривода и приводит к потере устойчивости его работы, В результате возникает задача, связанная с обеспечением инвариантности динамических свойств привода к изменениям его момент25 ных нагрузочных характери"тик, что позволяет обеспечить стабильность заданного качества работы системы.

В данном описании рассматривается электрогидравлический следящий привод

30 поворота работа относительно вертикальной оси его исполнительного органа. Кинематическая схема робота приведена на фиг,2, На фиг,1 и 2 введены следующие обозна35 чения: q>,q2,цз — соответствующие обобщенные координаты степеней подвижности

L 4 ф робота; q<,цг,цз — скорости изменения обобщенных координат q>, q2 и цз; U — усиливаемый сигнал; m<,m2,m3 — соответственно

40 массы звеньев исполнительного органа; m

Ф .М . — масса захваченного груза; 12, I3 — расстояние от центра масс второго и третьего звеньев до их осей вращения; l3 — расстояние от центра масс третьего звена до центра

45 схвата.

Для того чтобы добиться качественного управления координатой q<, необходимо компенсировать отрицательные влияния изменения координат q2 и q2, а также цз и цз

50 на динамические свойства привода.

Кинематическая энергия всех движущихся масс исполнительного органа (фиг.2) представляется в виде,„

Т = 1/2(lg2 + m2I 2 + Iqg + m3(13 + цз) +

+2

55 + гпг(3 +цз + 13) ) ц 2+

m3+ mr 2 2 ц 3+ "/2 (IS1+ (I$2" !ЯЗ) SIA ц2+ 2

+(ю+ ыз + тг 2 + mafia+ qs} +

+mr(l3+ q3+ з) )соз цг) цР.

1740806 а потенциальная энергия имеет вид

П = g(m212+ m3 (13+ дз) + гпг (1з+ Цз+ 13)) sin Цг, где g — ускорение свободного падения;

Is1, Is2, 1яз — моменты инерции соответствующих звеньев относительно их продольных осей;

1й1е 1йге 1м3 — моменты инерции соответ ствующих звеньев относительно поперечных осей, проходящих через их центры масс.

Одновременно выполняются соотношения; — О, —,= (Is1+ (Is2+ 133)sin Ц2+

С7Ч1 Мг - 2

+ (1м2 + 1мЗ+ nl2 I 2 + n13(I3+ Цз) +

+в,(!3 + Цз+ 13) ) cos2 q2)q1, 4. г

oP — i 10 (7 С!1

d .Т вЂ” П

dt 1

) = (IS1 + (!S2 + 1ЯЗ) sin Ц2 +

+(IN2+ !!чЗ+ шг! 2+ %3(13+ ЦЗ) +

+ п)г (!3 + ЦЗ+ 13) ) cos Цг). q1 +(2 ()т)з(!3 + ЦЗ) +

+AlgIf+ q3+ Ig)) cos (Цг) Цз+ (!зг+ !зз I+2

1НЗ п)2) 2 глЗ(!3+ Цз)

- m). (В+ Цз + 13) ) s! n (2q2)q2j q =

=Н(ЦгсЦ3)Ц1 + h(q2,Ц2,ЦЗ,ЦЗ)Ц1, где Н,h — переменные функции.

С учетом уравнения Лагранжа 2-го рода моментное воздействие на привод поворота робота (координата Ц1 имеет вид

Мв = Н(Ц2ЦЗ)Ц1+ !1(Ц2,Ц2,ЦЗ ЦЗ)Ц1 (1)

Передаточная функция разомкнутого привода может быть представлена в виде

= W(P) = Wy(P)Wp(P)W (P)Nf<(P), где Р— символ дифференцирования, W(P) — передаточная функция разомкнутого привода;

ЧЧу(Р) и Рlр(Р) — соответственно передаточные функции усилителя 8 и регулирующего органа 9 насоса 10;

О/ига (P) — передаточная функция гидропередачи, состоящей из насоса 10 и гидромотора 13;

М4(Р) — передаточная функция корректирующего устройства.

Причем передаточная функция гидропередачи имеет вид кмис! р

11Ю (00) 3 w р, W а

iIii (Р 3, iv, fH i;*li„i, IV где g- угол поворота регулирующего органа насоса 10, К =,Ке = const,ym = const, Wи ь4-1

ym — максимальный угол поворота регулирующего органа насоса 10;

Kp — приведенное значение коэффициента объемной упругости жидкости;

5 !р — передаточное отношение редуктора;

W< — характерный обьем гидромотора 13;

Wit - характерный объем насоса 10; и ° — скорость вращения насоса 10;

V — объем рабочей жидкости в гидроли10 нии нагнетания 11 и полости нагнетания насоса 10, I > — утечки рабочей жидкости.

Из выражения (2) видно, что параметры передаточной функции W« (Р) являются

15 существенно переменными и зависят от I-I (Ц2 цз). "(ц2, q2, цз, цз). В результате значительно изменяются и динамические свойства электрогидравлического следящего привода. Для сохранения неизменныхдина20 мических свойств рассматриваемого электрогидравлического следящего привода робота необходимо застабилизировать все параметры передаточной функции М/(Р).

Коррекция Й4 (Р) осуществляется с по25 мощью апериодического звена второго порядка 16 с передаточной функцией.

1 Л1@) p1P+1 ТгP+1) двух дифференцирующих звеньев с замед30 лением 2 и 4 вида р VP р) = р;р+ ) р) = т,р + а также периодических звеньев 23 и 24 с передаточными функциями

35, ЬКр Ч и2а(Р) . + „, Р/2 {Р) тр—

Параметры Т", и Тг выбирают достаточно малыми с целью придания приводу не обходимых динамических свойств.

40 Апериодическое звено второго порядка 16, дифференцирующие звенья с замедлением

2 и 4, а также апериодические звенья 26 и

31 первого порядка включены так, как зто показано на фиг.1, Датчики 36 и 28 установлены соответственно во второй и третьей степенях подвижности робота (см. фиг,2).

Функциональные преобразователи 37 и

40 реализуют функцию sin, а функциональный преобразователь 54 — функцию cos.

В результате на выходе квадраторов 38 и 17 соответственно формируются сигналь

sin q2 и cos Цг, г,г

Датчики скорости 42 и 35 соответственно установлены ео второй и третьей степенях подвижности робота (см.фиг.2) и измеряют величины цг и цз

Усилитель 39 имеет коэффициент усиления, равный 2. Следовательно, на выходе

1740806 блока 41 умножения формируется сигнал ц2

S(n Ц2.

Источники 30 и 34 опорного напряжения соответственно формируют сигналы 13 и 13. Первый и второй положительные входы сумматоров 29 и 31 имеют единичные коэффициенты усиления, следовательно, на их выходах соответственно формируются сигналы !3+ цз и !з+цз+ 13, а на выходах.квадратора 50 и блока 51 умно>кения соответственно (13+ цз)2, mr (6+ цз+ 13), так как датчик 33 измеряет массу захваченного груза. Источник 48 опорного напряжения подает на третий единичный положительный вход сумматора 49 сигнал, равный l(h}2+ (г}з + m2!2 . Второй (со стороны блока 51 умножения) и первый положительные входы сумматора 49 соответственно имеют единичный коэффициент усиления и коэффициент усиления, равный гл3. В результате на выходе блока 18 умножения формируется сигнал сов "Ц2 (lb + !аз+ гп2!2 + Щз (13+ ЦЗ) +

2 2 2

+ mr (13+ цз + 13) ), Источник 20 опорного напряжения подается на второй положительный вход сумматора 19 .".диничным коэффициентом усиления сигнал 1$7+1(р . ТРетий (со стоРоны кваДРато-

2 ра 38) и Г}ервый положительные входы этого сумматора соответственно имеют коэффициент усиления, равный 1$2+ 1$3, и единичный коэффициент усиления. В результате на выходе сумматора 19 фоумируется сигнал г)

1$7,г 1(}) + (! $2 + 1$3) s(r} Ц2 + (! Й2 + (чз +

+(г(212 + п73 (!3 + Цз) + mr (!3 + Цз + 13) )

СО- -. Ц2 = =1}р + Н(Ц2, Цз)

На выходе источника 46 опорного напряжения формируется сигнал 1$2+ !$3. Второй отрицательный (со стороны сумматора

49) и первый положительный входы сумматора 47 имеют единичные коэффициенты усиления, В результате на выходе блока 43 умножения формируе-.ся сигнал

7(2

А = (1$2 + !$3 - !(}2 - !N3 — п}2!2 - л73(!3 ЦЗ) п}г(!3+цз+!3) ) з(п(2Ц2)Ц2.

Первый (co стороны блока 32 умножения) и второй положительные входы сумматора 52 соответственно имеют коэффициент усиления 2 и коэффициент усиления, равный 2m В результате на выходе блока 45 умножения формируется сигнал, равный

В = 2(m3((3+$3) mr (13+ Цз+ !3)) c0s (Ц2)ЦЗ.

Положительные входы сумматора 44 имеют единичные коэффициенты усиления.

В результате на его выходе формируется сигнал

Я(Ц2 Ц2 цз, цз) = А+ В.

Первый вход сумматора 25 (co стороны сумматора 44) имеет коэффициент усиления, равный Q, а его второй вход- коэффициент усилений, равный единице. Источник огорного напряжения 26 имеет на выходе сигнал, пропорциональный 0,01 Wg2 Lð . В результате на выходе сумматора 25 формиРУетсЯ сигнал Ь(7 + 0,01 W ц!2р, котоРый

5 подается на блок деления 3. Усилитель 27 имеет коэффициент усиления, пропорционален ь(й величине (0,01 э."(эв lр )-1. Таким образ(м, с учетом вида передаточных функций

Ж/2(Р), Ч/4(Р), Л}е(Р), В723(Р), NI24(P) HB выходе

10 блока 7 умножения формируетс сигнал г (Р} г (O 0; Рг)}.э Кэ. «

Kg(Lh<00((gap} Ке(вэк.ОOlwgip" g (00(ьgh t 0,0f Wg }}э }7 (. р,p«}(15 а 1in Л

В результате передаточная функция кос}",,(ек гиру(ощегс устройства имеет вид (Н 0;,э} -„(ll, ;К }L,К-h(0 (< ((Э}Э+00 ®г Р } hr(Э Э 00(э(гiP (p} г 6 I (00 li,h t Vu g l p 7 (т,p«} !ò,p. (} э(э ip

20 а передаточная функция прямой цепи привода примет вид

25 t

Из этого выражения видно, что все параметры передаточной функции Nf(P) при введении разработанной коррекции остаются

30 постоянными и следовательно постоянными со <раняться и динамические свойства и ка-.ественные показатели всего злектрогидравлич"-.ñêîãî следящего привода, т,е. точность и устойчивость не будут зависеть от

35 переменных Н и 1"(.

}аким образом, в приводе обеспечена желаемая инвариантность к изменени}о нагр ;зочных характеристик.

Практическая реализация предлагаемо40 го устройства не вызывает затруднений, так как в нем используются только типовые электронные элементы.

Ф о р м у. л а и з о б р е т е н и я.

Электрогидравлический следящий при45 вод робота, содержащий последовательно соединенные измеритель рассогласования, . первое дифференцирующее звено с замедлением, блок деления, второе дифференцирующее звено сзамедлением,,первый блок

50 умножения, первый сумматор, второй блок умножения, первый усилитель, привод регулирующего органа насоса, связанного гудролиниями с гидромотором, выходной вал которого кинематически связан редуктором

55 с рабочим органом робота и первым датчиком положения, подключенным к измерителю рассогласования, вь}ход которого через апериодическое звено второго порядка подключен к входу первого сумматора, и после1740806

10 довательно соединенные первый квадратор, третий блок умножения, второй сумматор, вход которого подключен к первому источнику опорного напряжения, а выход— к входам первого и четвертого. блоков умножения, другой вход последнего соединен с входом пятого блока умнаженил, и выходом блока деления, а выход через первое апериадическое звено перв га порядка — с входам первого сумматора, вход которого через второе апериодическае звено первого порядка соединен с выходам плтаго блока умножения, последовательна соединенные третий сумматор, входы которого подключены к входу пятого блока умнаженил и второму источнику опорного напряжения, и второй усилитель, выход которого подключен к входу второго блока умножения, а второй вход блока деления -- - выходу третьего сумматора, последователь а соединенные второй датчик положения и четвертый сумматор, вход которого подключен к третьему источнику опорного напряжения, а также пятый сумматор. шестой блок умножения, датчик усилил, четвертый источник опорного напряжения и первые датчик скорости, а т л и ч а ю щ и и с л тем, что, с целью повышения точности и устойчивости, он снабжен вторым и третьим датчиками положения, вторым датчиком скорости, первым и вторым функциональными синусными преобразователями, функциональным косинусным преобразователем, вторым и третьим квадраторами, третьим усилителем, седьмым, восьмым и девятым, десятым и одиннадцатым блоками умножения, шестым — девятым сумматорами, а также пятым и шестым источниками опарногс напряженил„при этом последовательно соединены третий датчик положения, первый синусный преобразователь и второй квадратор, выход которого подключен к входу второго сумматора, последовательно соединены третий

5 усилитель, второй синусный преобразователь, седьмой блок умножения, один вход которог; падклю,ен к второму датчику скорости, восьмой "...лак умножения и шестой сумматор, выход которого подключен к вх10 дутретьега с,мматора, адругай вход шестого сумма rape через девятый блок умножения подключен к первому датчик; скорости, последовательно соединены пятыи.истая! ик опорного напряжения и седь15 мой сумматор, выход которого подключен к входу васьмага блока умножения, последовательна соединены шестой источник orlop нога напрлженил и восьмой сумматар., адин вход катарага через третий квадратар пад20 ключен к выходу четвертого сумматора, ега другой B aä через десятый блок умнаженил — к выходу шестогс блока умножения, а выход — к входам третьего блока умножения и седьмого сумматора, последовательно соединены

25 девятый:,умматар, входы которого подклю:.ены к выходам шестого блока умножения н четвертага сумматора, и одиннадцатый б„aê умножения, адин вход которого подключен к выходу первого квадратора, а выход — к входу

30 девятога блока умножения, ггричем вход первого квадратара через косинусный преобразователь;:адключен к третьему датчику положения к входу третьего усилителя, датчик усилил соединен с входом шестого блока

35 умножения, входы пятого сумматора подкл очены к четвертому сумматору и четвертому источнику опорногс напряженж;. а выход — к входам шестого и деслтага блоков умножения, 1740806

1740806

Составитель C.Ðoæäåcòâeíñêèé

Редактор М.Недолуженко Техред M,Mîðãåíòàë Корректор Н.Король

Заказ 2070 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушскал наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101