Řídicí systém pro navařování a broušení


Novák, Petr

Dr. Ing., katedra robototechniky, strojní fakulta VŠB-TUO, 17. listopadu, 708 33,  petr.novak@vsb.cz

1. Abstrakt

Rekonstrukce kolejového svršku, jejichž potřeba vzniká z důvodu opotřebení kolejnic v exponovaných místech tratí, jako jsou výhybky, oblouky, přechody apod., patří k náročným operacím jak z finančního, tak i časového hlediska. Rekonstrukce těchto míst jsou prováděny buď výměnou opotřebených kolejnic za nové, anebo opravou stávajících kolejnic technologiemi navařování do původního tvaru hlavy kolejnice.

Pro automatického řízení pohybu navařovací hubice při renovaci exponovaných míst kolejnic navařováním byl v roce 1996 až 1997 navrženo a vyrobeno navařovací zařízení PS 02, s řídicím systémem na bázi průmyslového PC [Novák 1994]. Pohyb navařovací hubice je realizován jako dvouosý otevřený systém s krokovými motory. Po téměř ročním bezporuchovém provozu tohoto zařízení v podniku Nová huť a.s. byla potvrzena správnost navržené koncepce řízení a pohonů.

Na 14. Mezinárodního veletrhu Welding v Essenu - SRN bylo představeno inovované navařovací zařízení PS 02 včetně nového řídicího systému a zejména pak nového uživatelského rozhraní. Stručným popisem tohoto nového řídicího systému se zabývá tento příspěvek.

Při vlastním návrhu bylo vycházeno z následujících požadavků (uvedeny nejdůležitější):

2. Popis technického řešení

Jako pohonné jednotky všech tří os byly vybrány krokové motory tuzemského dodavatele. Servopohon s krokovým motorem je možné navrhnout jako otevřený polohový, respektive rychlostní. Při vhodné volbě typu krokového motoru s ohledem na typ zátěže, vhodném způsobu řízení a buzení je servopohon spolehlivý, bez nebezpečí ztráty kroku. Výkonové stupně pro napájení krokových motorů jsou tvořeny řídícími deskami řady SD (Microcom). Tyto desky jsou řízeny vnějšími signály - PULSY (JOG) a SMĚR (DIR). Tyto desky kromě výkonové části obsahují sequencer, obvody pro mikrokrokování a logiku pro režim snížené spotřeby při zastavení osy.

Všechny tři výkonové stupně jsou řízeny kartou PCL-839 [Advantech 1994], která umožňuje nezávislé řízení až tří os současně.

Obr. 1. Blokové schéma řídicího systému

Logické vstupy/výstupy řídícího systémy jsou zajištěny kartou ACL7125 [Advantech 1996], vybavenou osmi reléovými výstupy a osmi optoizolovanými vstupy.

Jako řídicí počítač bylo vybráno panelové PC PPC100T (Advantech) s barevným aktivním LCD displejem a dotykovou obrazovkou, pevným diskem 820MB, 16MB RAM, CPU 5x86 130Mhz. Protože v standardní konfiguraci nemá počítač volné ISA sloty, byl doplněn o expansní box s dvěmi volnými ISA sloty poloviční délky.

Z důvodu 100% integrace ovládání na dotykovou obrazovku včetně ovládání analogových parametrů svařovacího agregátu musí být řídicí počítač vybaven analogovými vstupy a výstupy. Protože však není pro kartu A/D a D/A převodníků již žádný volný slot, jsou tyto analogové kanály řešeny ve formě inteligentních distribuovaných modulů stavebnice ADAM 4000 (Advantech). Komunikace s těmito moduly probíhá přes průmyslové sériové rozhraní RS485. Toto řešení se ukázalo jako elegantní i z důvodů dalšího možného rozšiřování o další moduly. Hrubé blokové schéma řídicího systému je znázorněno na obr. 1.

Celé technologické zařízení včetně diesel agregátu je mobilní a je umístěno v nákladovém kontejneru. Vlastní řídicí systém včetně budičů krokových motorů je nyní umístěn na vozíku navařovacího zařízení. (V původní verzi byl řídicí systém umístěn v nákladovém kontejneru.)

3. Popis programového řešení

Hlavním úkolem řízení je ovládat tři servopohony s krokovými motory při použití přímkové interpolace požadované trajektorie koncového bodu navařovací hubice. Vlastní trajektorii, skládající se z "uzlových bodů" spojených přímkami, zadá obsluha systému metodou učení Obr. 2. Řídící systém pak tuto trajektorii může opakovat spolu s navařováním.

Obr. 2. Možné trajektorie koncového bodu navařovací hubice

V případě uzavřeného obrazce je možné zvolit mezi obdélníkovým a trojúhelníkovým výplňovým vzorem s parametrem rozteče.

Zajímavou částí je algoritmus realizující obrazec výplně, ohraničený zadanou trajektorií linie. Celý výpočet probíhá v transformovaném souřadném systému buď 2D (navařování) nebo 3D (broušení).

Výpočet parametrů přímkových úseků výplňového vzoru se děje ve spojité oblasti oboru reálných čísel v transformovaném souřadném systému x'-y' popřípadě též x'-z', kde x-ová osa leží na přímce tvořené výchozím uzlovým bodem UB0 a bodem UB1. Protože servopohony jsou ovládány celými čísly (počet pulsů), je algoritmus generování přímek doplněn automatickou kompenzací "ztracených", respektive "nadbytečných" kroků, vzniklých zaokrouhlováním při zpětné transformaci přímek z souřadného systému x'-y' do x-y a x'-z' do x-z.

Na následujících obrázcích jsou zachyceny vybrané části některých postupů při zadání požadované trajektorie pro navařování (obr. 3), po navařování trojúhelníkového výplňového vzoru (obr. 4) a navaření obdélníkového výplňového vzoru včetně navaření ohraničující linie (obr. 5).

Obr. 3. Celkový vzhled uživatelského rozhraní po naučení uzavřené trajektorie pro navařování.(v režimu navařování).

Obr. 4. Vzhled trajektorie po navařování výplňovým vzorem "trojúhelník" bez navaření ohraničující linie (výřez). Na obrázku je rovněž ukázán význam parametrů "Perioda" a "Odstup".

Obr. 5. Vzhled trajektorie po navařování výplňovým vzorem "obdélník" včetně navaření ohraničující linie (výřez).

4. Závěr

Výše popsaný řídící systém pro pohyb navařovací hubice a brousícího zařízení je koncipován na panelovém PC s podpůrnými kartami a moduly. Jeho hlavní funkcí je ovládání tříosého otevřeného systému s krokovými motory, zajišťující pohyb navařovací hubice požadovanou rychlostí na pracovní ploše 1500x400 mm a nastavování a sledování parametrů navařovací technologie (ESAB Švédsko). Další funkcí je řízení pohybu brousícího zařízení v prostoru 1500x400x100 mm.

5. Literatura

ADVANTECH 1994. PCL839 3-axis High Speed Stepping Motor Control Card. In User´s manual Part No. 2005839010, 2nd Edition, 94p., december 1994.

ADVANTECH 1996. Total Solution for PC-based Industrial Automation. In Solution guide, ps.11­11 to 11­12, USA, 1996.

NOVÁK, P. 1994. Krokové motory, jejich vlastnosti a použití. Automa, r. ´94, str.4-8, 1994

NOVÁK, P. 1995 Obvodové řešení řízení krokového motoru bez zpětné vazby. In sborník konference Robotika v teórii a praxi ROBTEP ´95. Prešov : Strojnícka fakulta TU v Košiciach, 1995, s. 102-105. ISBN 80­7099-248-4.

NOVÁK, P. 1996. Řídicí systémy krokových motorů s aplikací na průmyslové roboty. Doktorandská disertační práce. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, Fakulta strojní, 1996. 85 s.

NOVÁK, P. 1997. Řídicí systém automatického řízení pohybu navařovací hubice při renovaci exponovaných míst kolejnic navařováním. In Sborník XX.Seminář ASŘ 97- Počítače v měření, diagnostice a řízení, mechatronika". Ostrava : VŠB-TU Ostrava, 1997, s. 24/1­3. ISBN 80-02-01153-8.