CC BY
2
Программирование контроллера робота для реализации технологического процесса лазерной сварки
1 2 А.В. Каляшина , Ю.Н. Смирнов
1 Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.
Туполева - КАИ, Казань, Россия 2Казанский государственный энергетический университет, Казань, Россия
Аннотация: Шаговый двигатель достаточно часто используется в автоматизированных установках лазерной резки. Схема управления шагового двигателя требует специального электронного устройства - драйвера, который получает на вход логические сигналы и изменяет ток в обмотках двигателя для обеспечения параметров движения. В данном научном исследовании проводилась оценка драйверов шагового двигателя для определения целесообразности их использования - PLDS880, OSM-42RA, OSM-88RA. Для управления системой был написан программный код, который по связующей плате соединялся с контроллером. С каждым драйвером при различных режимах подобраны оптимальные параметры (начальная скорость, конечная скорость и ускорение), то есть движение каретки без срыва на десяти проходах с минимальным временем прохода. Результаты экспериментальных исследований представлены в табличной форме. Ключевые слова: лазер, лазерная резка, автоматизация, технологический процесс, шаговый двигатель, быстродействие, драйвер, контроллер, схема управления, оптимальные параметры.
Одним из самых распространенных технологических процессов в машиностроении является резка — главная операция заготовительного производства. В мелкосерийном и среднесерийном производстве экономически выгодно использовать лазерную резку с быстрым налаживанием оборудования.
Как правило, в комплексе для лазерной резки присутствуют следующие элементы [1-3]: источник излучения, оптическая система, формирующая и транспортирующая испускаемое излучение; автоматизированная система управляющая параметрами комплекса и технологического процесса. Под автоматизацию и управление в лазерном технологическом комплексе подпадают конкретно лазер (стабилизация и регулировка оптических, пространственно-временных и энергетических параметров) и сам процесс резки металлов.
Автоматизированная система управления предназначена для контролирования и управления параметров лазера и для передачи исполнительных команд на механизмы системы генерации излучения и его транспортировки [2].
Параметры процесса лазерной резки зависят от многих факторов, например, от свойств материала, конструкции деталей, энергии, которая затрачивается на разрушение, скорости и характеристик реза, и в целом эти параметры обусловливают требования к лазерному излучению [3,5]. Такие автоматизированные комплексы строятся по двухуровневому принципу:
1 уровень - устройства для измерения или стабилизации параметров лазера, а также средства для перемещения пучка лазера по заданному контуру детали.
2 уровень - автоматизированная система, задача которой - связывать между собой группы устройств.
Современные технологии в области микроэлектроники позволяют использовать микропроцессорные устройства на обоих уровнях [4]. Если рассматривать промышленные технологические комплексы, то в них характеристики излучения лазера устанавливаются в необходимых заданных пределах и могут изменяться в небольших интервалах. К этим характеристикам относят: пространственное распределение излучения и угловая расходимость, режимы работы, мощность лазера, КПД лазера, временные параметры излучения [6-8].
Одним из самых распространенных приводов, которые используются в автоматизированных лазерных комплексах, являются приводы с использованием шагового двигателя. Его основное отличие от остальных видов двигателей состоит в способе вращения [9].
Для работы систем с точным позиционированием использование шаговых электроприводов является самым дешевым и простым решением.
М Инженерный вестник Дона, №3 (2024) ¡\с1оп. ru/ru/magazine/arcЫve/nЗy2024/9130
Поэтому эти приводы нашли широкое применение в станках ЧПУ и роботизированных системах.
Как известно, шаговый двигатель - это электрический механизм со сложной системой управления. Для работы шагового двигателя необходим драйвер, основная задача которого - наиболее эффективно изменять ток в обмотках, при этом необходимо учитывать, что ротор шагового двигателя и индуктивность обмоток постоянно оказывают влияние на процесс, что приводит к большим отличиям характеристик контроллеров и, как следствие, изменениям качественных показателей получаемого движения [9,10].
Драйверы разделяют по способу закачки тока в обмотки на несколько видов [8-10]:
1) Драйверы постоянного напряжения.
2) Двухуровневые драйверы.
3) Драйверы с ШИМ.
На данный момент ШИМ-драйверы шаговых электродвигателей наиболее популярны, почти все драйверы на рынке - этого типа. Эти контроллеры подают на обмотку шагового двигателя ШИМ-сигнал высокого напряжения, которое отсекается по достижению током соответствующей величины.
Задача данного исследования: выяснить качество получаемого движения различных драйверов шагового двигателя и определить целесообразности их использования.
В работе исследовали два двигателя PureLogic серии PL57H
Были выбраны следующие драйверы:
1) PLDS880
2) OSM-42RA
3) OSM-88RA
Рис. 1. - Внешний вид установки Для управления системой был написан программный код (в C++ в среде программирования Visual Studio) который по связующей плате соединен с контроллером.
С каждым драйвером при различных режимах (различная сила тока и дробление шага (1:1, 1:2, 1:4, 1:16)) подобраны оптимальные параметры (начальная скорость, конечная скорость и ускорение), то есть, движение каретки без срыва на десяти проходах с минимальным временем прохода.
Результаты экспериментов представлены в таблицах
Таблица № 1
Результаты тестирования драйверов при подключенном блоке питания
на 24 В и 1,6 А
Драйвер Сила тока Деле- Началь- Конечно Инкремент Скорость Время
ШД на ние ное е время [мкс] инкре- дви-
выбран- шага время между мента, жения
ном между сигна- цикл одного
режиме, сигна- лами, цикла,
[А] лами, [мкс] [с]
[мкс]
1 2 3 4 5 6 7 8
OSM- 3,3 1 2650 650 11 1 3.64
88RA
OSM- 3,3 2 1250 300 2 1 3.59
88RA
OSM- 3,3 4 650 140 1 2 3.73
88RA
1 2 3 4 5 6 7 8
OSM-88ЯЛ 3,3 16 165 70 1 5 5.33
PLDS88 0 3 4 450 160 3 3 3.00
PLDS88 0 3 16 125 45 1 6 3.50
OSM-42ЯЛ 2,3 1 1950 1600 2 1 6.00
OSM-42ЯЛ 2,3 2 925 480 7 1 4.40
OSM-42RA 2,3 4 460 195 1 1 3.65
OSM-42RA 2,3 16 125 100 1 2 7.36
OSM-42RA 3,2 1 2000 500 8 1 2.77
OSM-42RA 3,2 2 980 250 2 1 2.77
OSM-42ЯЛ 3,2 4 480 150 1 1 2.93
Таблица № 2
Результаты тестирования драйверов при подключенном блоке питания
на 70 В и 5 А
Драйвер Сила тока Деле- Началь- Конечно Инкремент Скорость Время
ШД на ние ное е время [мкс] инкре- дви-
выбран- шага время между мента, жения
ном между сигна- цикл одного
режиме, сигна- лами, цикла,
[А] лами, [мкс] [мкс] [с]
1 2 3 4 5 6 7 8
OSM- 3.3 1 2470 600 11 1 3.30
88ЯЛ
OSM- 3.3 2 1205 275 2 1 3.30
88ЯЛ
OSM- 3.3 4 660 200 1 1 4.02
88ЯЛ
OSM- 3.3 16 180 80 1 3 6.00
88ЯЛ
OSM- 4.2 4 520 120 1 1 2.50
88ЯЛ
OSM- 4.2 16 140 80 1 3 5.95
88RA
1 2 3 4 5 6 7 8
РЬББ88 0 3 4 485 120 3 3 2.45
РЬББ88 0 3 16 130 35 1 9 2.90
РЬББ88 0 4 4 405 110 2 3 2.22
РЬББ88 0 4 16 125 35 1 9 2.90
РЬББ88 0 2.6 4 750 240 1 10 9.50
РЬББ88 0 2.6 16 230 60 1 12 5.20
РЬББ88 0 3 4 740 170 1 2 4.40
РЬББ88 0 3 16 180 45 1 14 3.95
Таблица № 3
Результаты тестирования драйверов с редуктором при подключенном
блоке питания на 70 В и 5 А
Драйвер Сила Деле- Началь- Конечно Инкреме Скорост Время
ШД тока на ние ное е время нт [мкс] ь инкре- дви-
выбран- шага время между мента, жения
ном между сигна- цикл одного
режиме, [А] сигналами, [мкс] лами, [мкс] цикла, [с]
ОБМ- 3 4 900 880 1 2 15.00
88ЯЛ
ОБМ- 3 16 265 250 1 15 18.00
88ЯЛ
ОБМ- 3 2 330 125 1 10 12.20
88ЯЛ
ОБМ- 3 4 180 70 1 20 13.50
88ЯЛ
РЬББ88 0 2.6 4 80 30 1 30 6.20
РЬББ88 0 2.6 16 40 15 1 20 14.00
РЬББ88 0 3 4 80 30 1 20 6.20
РЬББ88 0 3 16 40 15 1 20 14.00
Из таблицы 1 видно, что при первом используемом блоке питания (24 В и 1,6 А) лучшее качество движения создавал драйвер ОВМ-42ЕЛ. Минимальное время прохождения кареткой одного пути в оба направления в режиме дробление шага 1:4 составило 2,7 секунды, что на 1-2 секунды быстрее, чем у остальных.
При замене блока питания на следующий (70 В и 5 А) лучшим стал драйвер PLDS880 с дроблением шага 1:4 (таблица 2). Это связано с тем, что у этого драйвер выше диапазон напряжение питания. Его время составило 2,2 секунды.
После замены двигателя на менее мощный и монтаже редуктора (таблица 3) с передаточным отношением 1 к 10, частота вращения выходного вала редуктора была уменьшена, а частота вращения двигателя была увеличена.
При высокой частоте вращения вала лучше всего справился драйвер PLDS880.
Максимальная скорость проезда каретки составила 45 см/с. Такая скорость перемещения позволит резать углеродистую сталь и алюминий шириной 1 мм лазерами мощностью до 2 кВт, нержавеющую сталь шириной 1 мм лазерами мощностью до 1,5 кВт, медь толщиной 1 мм лазерами мощностью до 4 кВт. Для металлов толщиной от 2 мм эта скорость достаточна.
Литература
1. Смирнов, Ю. Н., Каляшина А.В. Роль математического моделирования при цифровизации технологических процессов // Научно-технический вестник Поволжья. - 2023. - № 12. - Сс. 116-119. - EDN КЕМЩ
2. Каляшина, А. В., Евдокимова Т. С., Смирнов Ю. Н. Моделирование роботизированного процесса лазерной сварки // Вестник МГТУ "Станкин". -2022. - № 4(63). - Сс. 64-69. - EDN PUKAZN.
3. Сергеев М. Б., Татарникова Т. М., Сергеев А. М., Боженко В. В. Метод обеспечения конфиденциальности данных с применением ортогональных матриц // Инженерный вестник Дона. - 2024. - № 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2024/8967
4. Нуриев М. Г., Белашова Е. С., Барабаш К. А. Конвертер Markdown-файлов в LaTeX-документ // Программные системы и вычислительные методы. - 2023. - № 1. - Сс. 1-12.
5. Нуриев М. Г., Белашова Е. С., Барабаш К. А. Конвертер Markdown-файлов в LaTeX-документ // Программные системы и вычислительные методы. - 2023. - № 1. - Сс. 1-12.
6. Gorunov A. I., Kalyashina A. V., Gabitov A. A. Robot-Assisted Laser Strengthening: Mathematical Aspects // Russian Engineering Research. - 2019. -Vol. 39, No. 7. - Pp. 571-574. - DOI 10.3103/S1068798X19070086
7. Игнатьева О. В., Сокирка А. Д., Журавлев Д. С. Применение методов машинного зрения на встраиваемых системах // Инженерный вестник Дона. -2024. - № 1(109). URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2024/8918
8. SEW-EURODRIVE "Drive Engineering - Practical Implementation. Volume 7. Servo Drives. Basics, Charasterics, Project planning", 2022, 09224610 / 1196.
9. Старостина Я. К., Кукушкин В. А. Микропроцессорное управление шаговым двигателем на основе микросхемы STM32 // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2023. - № 12. - Са 41-45. - DOI 10.25791/asu.12.2023.1477.
10. Иванов В. М. Алгоритмы управления шаговым электроприводом для контроллера движения // Интеллектуальная электротехника. - 2023. - № 4(24). - С. 65-77.
M Инженерный вестник Дона, №3 (2024) ivdon. ru/ru/magazine/archive/n3y2024/9130
References
1. Smirnov, Yu. N. Nauchno-tehnicheskij vestnik Povolzhya. 2023. № 12. pp. 116-119.
2. Kalyashina, A. V., Evdokimova T. S., Smirnov Yu. N. Vestnik MGTU "Stankin". 2022. № 4(63). Pp. 64-69.
3. Sergeev M. B., Tatarnikova T. M., Sergeev A. M., Bozhenko V.V. Inzhenernyj vestnik Dona. 2024. № 1. URL: http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2024/8967
4. Nuriev M. G. Programmnye sistemy i vychislitelnye metody. 2023. № 1. Pp. 1-12.
5. Nuriev M. G. Belashova E. S., Barabash K. A. Programmnye sistemy i vychislitelnye metody. 2023. № 1. Pp. 1-12.
6. Gorunov, A. I., Kalyashina A. V., Gabitov A. A. Russian Engineering Research. 2019. Vol. 39, No. 7. Pp. 571-574.
7. Ignateva, O. V., Sokirka A. D., Zhuravlev D. S. Inzhenernyj vestnik Dona. 2024. № 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2024/8918
8. Drive Engineering - Practical Implementation. Volume 7. Servo Drives. Basics, Charasterics, Project planning, 2022. 092246101196.
9. Starostina Ya. K., Kukushkin V. A. Promyshlennye ASU i kontrollery. 2023. № 12. Pp. 41-45. DOI 10.25791/asu.12.2023.1477.
10. Ivanov V. M. Intellektualnaya elektrotehnika. 2023. № 4(24). Pp. 65-77. Дата поступления: 13.02.2024
Дата публикации: 5.04.2024
