Электрогидравлический следящий привод робота Советский патент 1992 года по МПК F15B9/03 

Изобретение 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 электрогидравлического 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 диффе- ренцирующее 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

. 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 - к вторым входам первого 5 и четвертого 21 блоков умножения, первый вход последнего соединен с первым входом пятого блока 22 умножения и выходом блока 3 деления, э выход через первое апериодическое звено 23 первого порядка - с третьим входом первого сумматора 6, четвертый вход которого через второе апериодическое звено 24 первого порядка соединен с выходом пя того блока 22 умножения, последовательно соеди- ненные третий сумматор 25, первый и второй 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

„в«Ј

CD

второго блока 7 умножения, а второй вход блока 3 деления - к выходу третьего сумматора 25, последовательно соединенные второй датчик 28 положения, четвертый сумматор 29, второй вход которого подлю- чен к выходу третьего источника 30 опорного напряжения, пятый сумматор31 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 по- ложения, 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 подключён к первому входу третьего сумматора 25, а его второй вход через девятый блок 45 умножения - к вых(. -/ первого датчика 35 скорости, последовательно соединенные пятый источник 46 опорного напряжения и седьмой сумматор 47, выход 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 блок53 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 1, обеспечивающее требуемый закон управления.

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

0 воздействует на гидромотор и редуктором 13, выходной вал которого изменяет положение объекта управления, уменьшая рассогласование д . Электрогидравлический привод при работе с различными грузами,

5 а также за счет взаимовлияния степеней подвижности исполнительного органа обладает переменными моментными характеристиками, которые могут меняться в широких пределах. Это снижает качественные пока0 затели работы гидропривода и приводит к потере устойчивости его работы. В результате возникает задача,связанная с обеспечением инвариантности динамических свойств привода к изменениям его момент5 ных нагрузочных характеристик, что позволяет обеспечить стабильность заданного качества работы системы.

В данном описании рассматривается электрогидравлический следящий привод

0 поворота работа относительно вертикальной оси его исполнитепьного органа. Кинематическая схема робота приведена на фиг.2.

На фиг.1 и 2 введены следующие обозна5 чения: qi,q2,q3 - соответствующие обобщенные координаты степеней подвижности робота; qi,q2,q3 - скорости изменения обобщенных координат qi, Q2 и qs; U - усиливаемый сигнал; ггц,т2,тз - соответственно

0 массы звеньев исполнительного ортана; mr - масса захваченного груза; 12, з расстояние от центра масс второго и третьего звеньев до их осей вращения; з - расстояние от центра масс третьего звена до центра

5 схвата.

Для того чтобы добиться качественного управления координатой qi. необходимо компенсировать отрицательные влияния изменения координат q2 и q2, а также qs и

0 на динамические свойства привода

Кинематическая энергия всех движущихся масс исполнительного органа (фиг,2) представляется ф

Т + rri2l22 + N3+ тз(1з + qs) +

5+тг(з+q3 ) q 2+

- q23 + 1 /2 { Isi + (S2 - IS3) sin2qz +

A

+1мз -t m2l22 + т20з + qs}2 + +mr (Is + qs + Is) cos2q2 } qt2.

4а потенциальная энергия имеет вид

П + тз (1з + дз) + тг (1з + дз + 1з) stn q2,

где g- ускорение свободного падения;

Isi, Is2. Is3 - моменты инерции соответ- ствующих звеньев относительно их продольных осей;

INI, Iw2, ыз моменты инерции соответствующих звеньев относительно поперечных осей, проходящих через их центры масс.

Одновременно выполняются соотношения: fc- - { IS1 + OS2 + lS3)sin Q2 +

Ч

+ IN2 + iN3 + ГП2 I 2 + тз03 + Q3) +

+гпг{1з + qs + з) cos2 q2}qi,

sCLzILo

ffqi () - ( si + ( + IS3) sin2q2 +

+ lN3 + m2l22 + тз(1з + qs}2 + + mr ( qs + 1з) cos2q2},qi +{2 тз(з + qa) + +mr(lj+ qs + 1з) cos (q2) + t s2 + s3 - IN2 -lN3 - Ш2Г2 - rm(3 + РЗГ .

- mr (5-i- q3(+ Is) sin (2q2)q2} q i - H(q2,q3)q i + h(q2,q2,q3.q3)qi, где H,h - переменные функции. С учетом уравнения Лагранжа 2-го рода моментное воздействие на привод поворота робота (координата qi) имеет вид

Мв H(q2q3)q l + h(q2.q2,q3,q3)qi (1) Передаточная функция разомкнутого привода может быть представлена в виде

W(P) Wy{P)Wp(P)WHrM(P)Wx(P),

где Р - символ дифференцирования,

W(P) передаточная функция разомкнутого привода;

Wy(P) и Wp(P) - соответственно передаточные функции усилителя 8 и регулирую- щего органа 9 насоса 10;

Мнгм (Р) - передаточная функция гидропередачи, состоящей из насоса 10 i гидромотора 13;

А/к(Р) - передаточная функция коррек- тирующего устройства.

Причем передаточная функция гидропередачи имеет вид

(HO. ylV

lVE(L,h QOIW|L

K,(l,,ht6oiW|ij

где у- угол поворота регулирующего органа 55 насоса 10,

К -iLJsl ДЕ s const ,ym const,

5

10

15

0

5

0

5

0

0

5

Ут - максимальный угол поворота регулирующего органа насоса 10;

КЕ - приведенное значение коэффициента объемной упругости жидкости;

ip - передаточное отношение редуктора;

Wg - характерный объем гидромотора 13;

Wit - характерный объем насоса 10;

Он - скорость вращения насоса 10;

V -- объем рабочей жидкости в гидролинии нагнетания 11 и полости нагнетания насоса 10,

1Э - у1ечки рабочей жидкости.

Из выражения (2) видно, что параметры передаточной функции WHDM (Р) являются существенно переменными и зависят от И (q2, qa), h (q2, Q2. qs, qs). В результате значительно изменяются и динамические свойства элекгрогидравлического следящего привода Для сохранения неизменных динамических свойств рассматриваемого электрогидравлического следящего привода робота необходимо застабилизировать все параметры передаточной функции W(P).

Коррекция WK (P) осуществляется с помощью апериодического звена второго порядка 16 с передаточной функцией.

1

(TiP-b1)() двух дифференцирующих звеньев с замедлением 2 и 4 вида

W2(p) xiTnVTi}- W4(p)

а также периодических звеньев 23 и 24 с передаточными функциями

№ w24(P)

Wie(P)W23(P)

Т2Р + 1

Параметры Ti и Т2 выбирают достаточно малыми с целью придания приводу необходимых динамических свойств. Апериодическое звено второго порядка 16, дифференцирующие звенья с замедлением 2 и 4, з 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 АО реализуют функцию sin. а функциональный преобразователь 54 - функцию cos.

В результате на выходе квадраторов 38 и 17 соответственно формируются сиг-налы

Sln2Q2 И .

Датчики скорости 42 и 35 соответственно установлены во второй и третьей степенях подвижности роб9та (см.фиг.2} и измеряют величины и q3.

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

блока 41 умножения формируется сигнал qa sln2q2.

Источники 30 и 34 опорного напряжения соответственно формируют сигналы 1з и 1з. Первый и второй положительные входы сумматоров 29 и 31 имеют единичные коэффициенты усиления, следовательно, на их выходах соответственно формируются сигналы з + дз и 1з +дз + 1з, а на выходах квадратора 50 и блока 51 умножения соответственно (з + дз)2, rtir $ + Чз+ з) , так как датчик 33 измеряет массу захваченного груза. Источник 48 опорного напряжения подает на третий единичный положительный вход сумматора 49 сигнал, равный т + Ыз + mate . Второй (со стороны блока 51 умножениями первый положительные входы сумматора 49 соответственно имеют единичный коэффициент усиления и коэффициент усиления, равный гпз. В результате на выходе блока 18 умножения формируется сигнал cos Q2 ь мз + mate + гпз (з + дз) + + mr(i$ + qa + bf,

Источник 20 опорного напряжения подается на второй положительный вход сумматора 19 i единичным коэффициентом усиления сигнал Isi ч lip . Третий (со стороны квадратора 38) и Первый положительные входы этого сумматора соответственно имеют коэффици- енг усиления, равный S2 + Is3, и единичный коэффициент усиления. В результате на выходе сумматора 19 формируется сигнал si Ј ф2 Н (IS2 ь зз) smzq + 1м2 ь 1щ + tinrte + гпз Оз + дз), + mr (з + qs + 1з)

с,оз Н (qa, дз)

На выходе источника 46 опорного напряжения формируется сигнал Is24 Isa Второй отрицательный (со стороны сумматора 49) и первый положительный входы сумматора 47 имеют единичные коэффициенты усиления, В результате на выходе блока 43 умножения формируется сигнал

А Isa + is3 - Iwa - мз - mala - тз(1з-дз}2- -тг{1 -дз-Нз) 1 sin(2qa)q2.

Первый (со стороны блока 32 умножения) и второй положительные входы сумматора 52 соответственно имеют коэффициент усиления 2 и коэффициент усиления, равный 2т. В результате на выходе блока 45 умножения формируется сигнал, равный В (з+дз) t т г (з + дз + 1з) cos2 (да)дз.

Положительные входы сумматора 44 имеют единичные коэффициенты усиления. В результате на его выходе формируется сигнал

gfqa. да, дз, дз) А + В.

Первый вход сумматора 25 (со стороны сумматора 44) имеет коэффициент усиления, равный Ц, а его второй вход- коэффициент усилений, равный единице. Источник

опорного напряжения 26 имеет на выходе сигнал, пропорциональный 0,01 Wg2 Lp2. В результате на выходе сумматора 25 формируется сигнал Uh + 0,01 W2gi2p, который

подается на блок деления 3. Усилитель 27 имеет коэффициент усиления, пропорцио- нэ аный величине (0,01 Wg ip )-1. Таким образом, с учетом вида передаточных функций W2(P). W4(P). Wi6(P), W2C(P). W24(P) на выходе

блока 7 умножения формируете-1 сигнал

(

Ke(L,h OOlW$)

Р

, рЦЫн 1. Е(ЬЭ| -001 w|ip P t

00(Ljh 00 Wn 1ргП1Г,ри)тгр + (}

В результате передаючнпя функция корректирующего усфойств имеет ьид

(j l2if-15 г.5, JJLL. uki.1

U (L,hvOO V | Е1 ООШ|ф)

Л Ч( -

TIOQI.jhfWaip l .

1-фр---J ,

5

0

5

5

0

5

0

а передаточная функция прямой цепи привода примет вид

W(P) Wy(P)WP(P)

Из этого выражения видно, что все параметры передаточной функции W(P) при оведе- НИР разработанной коррекции остаются постоянными и следовательно постоянными сохраняться и динамические свойства и качественные показатели всего эпектротмд- равличоского следящего привода, т.е. точность и устойчивость не будут зависеть от переменных Н и h.

idKHM образом, в приводе обеспечена желаемая инвариантность к изменению нагрузочных характеристик.

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

Формула изобретения

Электрогидравлический следящий пои- вод робота, содержащий последовательно соединенные измеритель рассогласования, первое дифференцирующее звено с замедлением, блок деления, второе дифференцирующее звено с замедлением, первый блок умножения, первый сумматор, второй блок умножения, первый усилитель, привод регулирующего органа насоса, связанного ролиниями с гидромотором, выходной вал которого кинематически связан редуктором с рабочим органом робота и первым датчиком положения, подключенным к измерителю рассогласования, выход которого через апериодическое звено второго порядка подключен к входу первого сумматора, и последовательно 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 умножения, и выходом блока деления, а выход через первое апериодическое звено первого порядка - с входом первого сумматорз, вход которого через второе апериодическое звено первого порядка соединен с выходок пятого блока умножения, последовательно соединенные третий сумматор, входы которого подключены к входу пятого блока умножения и второму источнику опорного напряжения, и второй усилитель, выход которого подключен к входу второго блока умножения, а второй вход блока делений - к выходу третьего сумматора, последователь ю соединенные второй датчик положения и четвертый сумматор, вход которого подключен к третьему источнику опорного напряжения, а также пятый сумматор, шестой блок умножения, датчик усилия, четвертый источник опорного напряжения и первые датчик скорости, отличаю щ и и с я 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 опорного напряжения, при этом последовательно соединены

третий датчик положения, первый синусный преобразователь и второй квадратор, выход которого подключен к входу второго сумматора, последовательно соединены третий

усилитель, второй синусный преобразователь, седьмой блок умножения, один вход которого подключен к второму датчику скорости, восьмой умножения и шестой сумматгр, ВУХОД которого подключен к вхеду третьего сумматора, а другой вход шестого сумматора через девятый блок умножения подключен к первому датчш-.у скорое™, последовательно соединены пятый исто«мик опорного напряжения и седьмой сумматор, выход которого подключен к входу восьмого блока умножения, последовательно соединены шестой источник опорного напряжения и восьмой сумматор, один- вход которого через третий квадратор -подключей , оыходу четвертого сумматора, его другой вход через десятый блок умножения

-к выходу шестого блока умножения, а вы/од

-к входам третьего блока умножения и седьмого сумматора, последовательно соединены

девятый сумматор, входы которого подключены к выходам шестого блока умножения н четвертого сумма ора, и одиннадцатый УОК умножения, один вход которого подключен к выходу первого квадратора, а выход - к входу

девятого блока умножения, причем вход первого квэдоатсра через косинусный преобра зовзтель подключен к третьему датчику положения к входу третьего усилителя, датчик усилия соединен с входом шестого блока

умножения, входы пятого сумматора подключены к четвертому сумматору и четвертому истоинику опорного напряжения. а выход - к входам шестого м десятого блоков умножения,

W

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.

9080W.I

/77/

Фиг. 2