CC BY
46
УДК 62-589
Ю.О. ЛЕБЕДЕНКО, А.А. ОМЕЛЬЧУК, О.О. САФЬЯНИК
Херсонський нацiональний технiчний ушверситет
1НФОРМАЦШНО-ВИМ1РЮВАЛЬНА П1ДСИСТЕМА БАГАТОПРИВОДНО1 КАРКАСНО1 УСТАНОВКИ З МЕХАН1ЗМАМИ ПАРАЛЕЛЬНО1 СТРУКТУРИ
У cmammi розглядаеться розробка iнформацiйно-вuмiрювальноi nidcucmeMU як складовоХ частини комп'ютеризованоХ системи управлтня багатоприводноХ каркасноХ установки. Система повинна вiдcлiдковуваmu параметри руху eлeмeнmiв конструкцИ установки, зокрема ii робочого органу (фрези, екструдера тощо), стежити за змiною струму живлення eлeкmродвuгунiв установки, оперативно тформувати про перевантаження обладнання.
Ключовi слова: каркасна установка, вuмiрювальна niдcucmeма, датчики, акселерометр, вiбромemр.
Ю.А. ЛЕБЕДЕНКО, А.А. ОМЕЛЬЧУК, А.О. САФЬЯНИК Херсонский национальный технический университет
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ПОДСИСТЕМА МНОГОПРИВОДНОЙ КАРКАСНОЙ УСТАНОВКИ С МЕХАНИЗМАМИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ
В статье рассматривается разработка информационно-измерительной подсистемы как составной части компьютеризированной системы управления многоприводной каркасной установки. Система должна отслеживать параметры движения элементов конструкции установки, в частности ее рабочего органа (фрезы, экструдера и т.д.), следить за изменением тока питания электродвигателей установки, оперативно информировать о перегрузке оборудования.
Ключевые слова: каркасная установка, измерительная подсистема, датчики, акселерометр, виброметр.
YU.O. LEBEDENKO, A.A. OMELCHUK, O.O. SAFYANIK Kherson national technical university
INFORMATION-MEASURING SUB-SYSTEM OF MULTIPLE-DRIVER FRAME INSTALLATION WITH MECHANISMS OF THE PARALLEL STRUCTURE
The article deals with the development of the information-measuring subsystem as an integral part of the computerized control system of the multi-drive frame installation. The system should monitor the parameters of the movement of the elements of the design of the installation, in particular its working body (cutters, extruder, etc.), monitor the change in the supply current of the electric motors of the installation, promptly inform about the overload of the equipment.
Key words: frame installation, measuring subsystem, sensors, accelerometer, vibration sensor.
Постановка проблеми
Сучасш складш системи рiзноманiтноl природи представляють собою комплекс рiзних пвдсистем, що виконують певш технолопчш функци i пов'язаш мiж собою процесами штенсивно! динамiчноl взаемоди та обмшу енерпею, речовиною та шформащею. Зазначеш системи е нелшшними, багатовимiрними i багатозв'язними, в них протжають складш перехвдш процеси i виникають критичш i хаотичш режими.
При розробщ систем управлшня сучасним промисловим обладнанням доцшьним е впровадження в них iнформацiйно-вимiрювальних систем. Не е виключенням i багатоприводнi каркаснi установки, яш потребують застосування замкнених систем керування, що повиннi вiдслiдковувати прискорення та положення робочого органу i навантаження на нього, вiбрацil, стан шнцевих вимикачiв та коригувати траекторш руху з урахуванням цих факторiв [1].
Аналiз публiкацiй за темою дослщження
Для визначення, виявлення та контролю прискорень та вiбрацiй в мехашзмах використовують рiзнi типи акселерометрiв. З !х допомогою вимiрюються напрямок i величина вiброприскорення та iншi параметри.
Як правило у промисловосп i системах безпеки використовуються вiбродатчики, у яких е механiчний контакт. Найчастiше використовуеться три базовi види вiбрацiйних датчиков:
1. Вiбродатчик, який обладнаний тонкою пружною пластиною з металу. На нш прикрiплюеться iнерцiйна вага. Пружшсть пластини може регулюватися.
2. Вiбродатчик, у якого е пружина i рухлива шерцшна вага, тобто вантаж невеликого po3Mipy прикрiплюeться до одного шнця пружинки i розмiщуеться в цилiндричному електричному контактi, який виглядае як металеве кольце або ж пласка шайба, або стрижень. Коли вщбуваеться удар по будь-яко! з поверхонь, до яких прикршлюються датчики, вантаж вдаряеться в цилiндричний контакт i електричне коло замикаеться. Прикладом реал1зацп такого принципу е датчику Vibration switch module KY-002 (рис. 1).
Модуль сприймае механiчнi дп на прилад в якому вш закрiплений, тобто реагуе на удари, вiбрацiю, струс. Використовуеться в охоронних системах i в рухомш робототехнщ для реестрацiï зiткнення з перешкодою.
Усередиш цил1ндричного корпусу знаходиться пружина, в цен^ якоï металевий стрижень. При достатньому зусиллi (ударi) пружина торкаеться стрижня. Один контакт датчика пружина, а другий, вiдповiдно, стрижень.
а) б)
Рис. 1. Конструкщя датчика Vibration switch module KY-002: а) - внутрштй устрш; б) - принципова схема
3. Значно рвдше використовуеться i третш вид в1бродатчик1в - датчики в1брацИ з кульками. Електричний контакт в них замикаеться при сташ спокою. Кульки досить в№но перебувають на позицiях контакпв. При ударi кульки ввдштовхуються вщ контактiв, тому викликаеться тимчасовий розрив електричного кола.
В теперiшнiй час набувають широкого поширення акселерометри, виконаш за технологiею MEMS (MEMS - мшроелектромехашчш системи). Вони мають висош робочi характеристики в поеднаннi з малим енергоспоживанням, мiнiатюрнiстю i низькою цшою. Один зi свiтових лiдерiв у виробництвi MEMS -акселерометрiв е компанiя Analog Devices [2].
Найчаспше використовуються емнiснi однокристальнi штегральш акселерометри, тобто побудованi на базi едино! мiкросхеми. Так1 пристро! можуть бути пiдключенi безпосередньо до процесора або контролера. Крiм того, в зв'язку з розвитком автоматизованих систем числового програмного керування верстатiв, акселерометри використовуються для контролю стану рiзального шструменту, що дозволяе в онлайн-режимi проводити корекцiю законiв керування та, вщповщно, контролювати точнiсть обробки виробу.
Плiвковi п'езоелектричнi датчики прискорення виконуються на основi багатошарово! п'езоелектричний полiмерно! плiвки. Багатошарова плiвка закрiплена на шдкладщ з оксиду алюмiнiю, i до не! приеднана iнерцiйна маса з порошкового металу. При змiнi швидкосп руху датчика в результатi ди iнерцiйних сил вiдбуваеться деформацiя плiвки. Завдяки п'езоефекту виникае рiзниця потенцiалiв на межах шарiв плiвки, що залежить вiд прискорення. Чутливий елемент датчика мае надзвичайно високий вихвдний опiр, тому на пiдкладцi датчика е також польовий транзистор з малим струмом затвора, який представляе собою пiдсилювач напруги. Це дозволяе вимiрювати змiннi прискорення з порiвняно низькою частотою. Недолiками датчиков цього типу е погана повторювашсть характеристик в сершному виробництвi, висока чутливють до змiни температури i тиску. Крiм того, вони не можуть контролювати постшт прискорення i гравггацшш сили.
Датчик LDT0-028K (рис.2) являе собою гнучкий компонент, що мютить 28 мкм п'езоелектричну полiмерну полiвiнiлiденфторидну плiвку з надрукованими на нш трафаретним друком срiбними електродами, яка при деформаци (згинаннi) буде призводити до появи рiзницi потенцiалiв. Як пльки напруга перевищить граничне значення, станеться замикання контакту, що призведе до виникнення аварiйного сигналу.
а) б)
Рис.2. Птвков1 п'езоелекгричт датчики прискорення: а) - датчик LDT0-028K; б) - график залежносп вихвдного сигналу датчика ввд деформацц (в1дхилення)
При Bi6pa^i' в п'езоелектричному шарi генеруетъся напруга тим бiльше, чим сильшше вiбрацiя. Напруга, що генеруетъся, е достатнъою, щоб переключити MOSFET або CMOS лопку безпосереднъо. Таким чином, якщо зафiксувати контакти i залишити "висгги в повггрГ' п'езо-шар, при шерцд або вiбрацil датчик може виступати як акселерометр або вiброметр. Додаючи масу або змiнюючи довжину вшьно! частини датчика можна регулювати чутливiстъ. Багатоосъовий вiдгук можна отримати, розвантаживши центр датчика.
Шум, що метиться у вихвдному сигналi акселерометра, визначае розпод№ну здатнiстъ пристрою, важливу при визначенш малих прискорень. Гранична розподшьна здатнiстъ в основному визначаеться рiвнем шуму вимiрювання, який включае зовшшнш фоновий шум i шум самого датчика. Рiвень шуму безпосереднъо пов'язаний з шириною смуги пропускания датчика. Зниження рiвня шуму можливе завдяки зменшенню смуги пропускання шляхом включення ФНЧ на виходi датчика.
Враховуючи, що на величину вихвдно! напруги впливае комплекс чинник1в (довжина контаклв, мiсце розташування та iн.), акселерометри на основi плiвкових датчиков потребують обов'язкового калiбрування.
Певних недолiкiв позбавлеш акселерометри, заснованi на конденсаторному принцип (рис. 3, а).
x\\\\\\\\\\\\\v
а)
б)
Рис. 3. Мжроелектромехатчт акселерометри: а) - принцип роботи конденсаторних акселерометр1в; б) - MEMS-акселерометр
розробки Sandia Labs
Рухома частина системи - класична вага на шдвюах. При наявностi прискорення вага змщуеться вiдносно нерухомо! частини датчика. Пластина конденсатора, яка прикршлена до ваг, змiщуeться щодо пластини на нерухомш частинi. Gмнiсть змiнюeться, при незмшному зарядi змiнюeться напруга - цю змiна можна вимiряти i розрахувати змiщення ваги (рис. 3, б). Зввдки, знаючи його масу i параметри пiдвiсу, легко знайти i потрiбне прискорення. Датчики прискорення можна застосовувати i для визначення абсолютного кута нахилу. Наприклад, якщо датчик прискорення розташований так, що його вюь чутливостi перпендикулярна поверхнi земл^ вих1дний сигнал вiдповiдаe прискоренню вшьного падiння. При змiнi кута нахилу, вихщний сигнал зменшуеться пропорцiйно косинусу кута м1ж вiссю чутливостi датчика i абсолютним вертикальним положенням.
Формулювання мети дослщження
Пропонуеться вдосконалення системи керування багатоприводно! каркасно! установки за рахунок розробки i включения у и склад шформацшио-вимiрювальио! пiдсистеми. Така пiдсистема мае пiдвищити точнiсть i швидшсть позицiоиування робочого органу установки тд час програмно-кероваш! обробки виробiв, забезпечити коректну i безпечну роботу електромехашчно! системи у цiлому, збiльшити ресурс електродвигушв та механiчних ланок установки.
Виклад основного матер1алу дослiджень Схема установки з шаршрно-стрижневими мехашзмами паралельно! структури III вигляд наведеш на рис. 4.
а) б)
Рис. 4. Багатоприводна каркасна установка з мехашзмами паралельно!" структури: а) - схема установки; б) - зовшшнш вигляд конструкци
Дана установка складаеться з металевого каркаса, який обладнано шiстьма кроковими електродвигунами, приводами, шаршрними механiзмами i робочим органом [3], в якосп якого використовуеться шпиндель, машпулятор, екструдер та ш. Перемiщення робочого органу задаеться верхшм рiвнем управлiиня, який складаеться з персонального комп'ютера i керуе кожним електродвигуном за допомогою окремого драйвера. Датчики, розмщет на приводах та елементах конструкци установки, разом складають шформацшио-вимiрювальну пiдсистему, яка ввдстежуе параметри роботи каркасно! установки i ввдправляе даиi на верхиiй рiвеиь управлшня [1]. Структурна схема системи управлшня каркасно! установкою приведена на рис. 5.
Рис. 5. Структурна схема системи управлшня каркасною установкою
Iиформацiйио-вимiрювальиа тдсистема мае у своему склащ датчики положення, струму, прискорення (руху) i датчики вiбрацi! (рис. 6). Такий иабiр сеисорiв дозволяе надшно (за рахунок дублювання) фiксувати поточне положення робочого органу установки, вщстежувати иаявиiсть перевантаження i перевiряти дотримання обмежень робочо! зони установки.
Драйвери крокових двигужв Датчики в1браци (В1брометри) Датчики струму (Струму крокових електродвигушв)
\
Датчики положения (1ндуктивы датчики) 1нформацшно-вим1рювальна пщсистема Датчики руху (Акселерометри)
Рис. 6. Структура шформацшно-витрювально1 тдсистеми
В пропонованш iнформацiйно-вимiрювальнiй системi використовуються датчики прискорення, заснованi на конденсаторному принципi.
При впливi на рухомий елемент сенсора масою ш сили ¥=та виникае зсув х, що е пропорцiйним прискоренню (рис. 3 а):
х = ■
та
Т
©О
(1)
де в - жорстк1сть шдвюу, а - прискорення змiщення сенсору, т0 - власна частота коливань сенсора, яка визначае чутливють мехашчно! частини системи.
Загальний рiвень шумiв акселерометрiв складаеться з шумiв мехашчно! i електрично! частини приладу. Через вщносно невелику масу сенсора ввдчутний вклад в загальний рiвень шумiв вносить складова, яка зумовлена тепловими коливаннями сенсора. Середньоквадратичне значения шуму отримуеться з наступного виразу:
рЛ1 раг к • Т
2
1
4 ©0
2
а 2 = ©О •к •Т 2ш
(2)
де к - постшна Больцмана, Т - абсолютна температура, а - середньоквадратичне прискорення, Л - амплиуда коливань.
В штегральних акселерометрах конденсаторного типу, як правило, вбудована можливють самокалiбровки i самотестування. Для цього у датчик вбудовано групи пластин, яш подiбнi до тих, що використовуються безпосередньо для вимiрювання. При виникненш постшно! напруги и мгж вiдповiдними пластинами сенсору, що розташоваш на вiдстаиi й, виникае сила електростатичного тяжiния ¥, еквiвалентна наявносп певно! зовшшньо! сили чи прискорення:
¥ = ■
-дЖ 8 • 5 • и1
(3)
дй
де е - абсолютна дiелектрична проникнуть, 5 - площа перекриття пластин, Ж - енерпя плаского конденсатора. 1дея самокалiбрування полягае у тому, що при змш температури вих1дний сигнал прискорення i вихвдний сигнал вiд пластин калiбровки змiнюються пропорцiйно, через те, що обидва вони однаково залежать вщ коефiцiента пружностi пiдвiсiв. При цьому вх1дна напруга вiд температури майже не залежить. 1снуе також режим з безперервною калiбровкою, коли калiбровочнi iмпульси перiодично подаються протягом усього процесу вимiрювань.
На рис. 7 наведен iнтегральнi датчики ADXL337 i АОХЬ377, що являють собою компактш, тонк1, малопотужнi 3-х осьовi акселерометри, з аналоговим вихвдним сигналом.
Основна ввдмшшсть мiж цими акселерометрами - дiапазон вимiрювань. ADXL337 вимiрюе прискорення в дiапазонi ±3 g, а 377-й працюе в дiапазонi ± 200 g i може використовуватися для вимiрювання бiльш рiзких змiн рухiв контрольованого об'екта, та може використовуватися для оцшки вiбрацiй.
Сiмейство ADXL - це базовi MEMS-пристро!, в яких сенсор i електронiка реалiзованi на единому кристалл До вимiрювально! системi акселерометр шдключаеться за наведеною на рис. 8 схемою.
а
а) б)
Рис. 7. Акселерометри, побудоваш на баз1 штегрованих схем: а) - ADXL377; б) - ADXL337
мк
VCC
о АО
с
А1
"О
< А2
GND
VC С
X 1-го
m
Y _" X
Q
Z <
GND
Рис. 8. Схема пвдключення акселерометр1в до мшроконтролера шформащйно-вим1рювально°1 системи
На OCHOBÎ розглянутих датчикiв можна побудувати двоконтурну iнформацiйно-вимiрювальну систему для аналiзу стану багатоприводно1' каркасно! установки, що мютить канали грубого та точного вимiрювання [4].
Висновки
Проведено аналiтичний огляд пiдходiв до побудови iнформацiйно-вимiрювальноï системи для контролю стану багатоприводно! каркасноï установки, моделей, що описують процес формування iнформацiï та виконано ïx порiвняльну характеристику. Розглянуто особливостi задач та функцп iнформацiйно-вимiрювальниx систем складних електромеxанiчниx систем, наведено аналiз основних характеристик засобiв та методiв, що потрiбнi для здiйснення оцiнки стану працюючого теxнологiчного обладнання каркасного типу. Виконано аналiз пiдxодiв до попередньоï обробки сигналiв з датчиков, яш здатнi визначати iнформативнi параметри вiброприскорень, що виникають в процесi функцюнування електромеxанiчного обладнання.
Список використано'1 лггератури
1. Ревенко С.В. Компьютеризированная система управления многоприводной каркасной установкой / С.В. Ревенко, А.В. Рудакова, А.А. Омельчук // Матерiали V Всеукрашсько1' науково-практично1' конференцй' студентiв, аспiрантiв та молодих вчених з автоматичного управлшня, присвячено1' Дню космонавтики, 12 квггня 2017 р., м. Херсон, С. 216-218.
2. Тюрин А.Е. Вибродиагностика автоколебательных процессов в трибоконтакте фторопласт-сплавы / А.Е. Тюрин, Г.М. Исмаилов - Конструкции из композиционных материалов, 2013. - №2. - С.58-64.
3. Кеба П.В. Аналiз кинематики, точносп та динамiки трашдально1' компоновки верстата з мехашзмами паралельно1' структури / П.В. Кеба, Д.О. Дми^ев, Д.Д. Федорчук // Вiсник Хмельницького нацюнального унiверситету, №2, 2016 (235). - С.161-166
4. Омельчук А.А. Информационно-измерительная подсистема мониторинга параметров и процессов спуска судна на воду / А.А. Омельчук, А.В. Рудакова // Збiрник наукових праць НУК. - Микола1'в: НУК, 2013. - №4. - С. 11 - 16.
