Разработка метода автоматизации процессов пространственного изгиба труб на основе микроэлектромеханических систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Е Тет Линн

• Е Тет Линн
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Е Тет Линн

Введение

Глава 1. Анализ методов и технологий деформации изделий из металла и способы их реализации

1.1. Классификация способов обработки металла

1.2. Основные проблеммы возникающие при пространственом гибе металлической трубы

1.3 Характеристики основных методов гибки

1.4. Применение сервоприводов на двигателях переменого тока в трубогибочных машинах

1.4.1.Сравнительный анализ методов скалярного и векторного управления сервоприводом переменного тока

1.4.2 Анализ метода скалярного управления

1.4.3. Анализ метода векторного управления

1.4.4. Моделирование замкнутого контура V / Ш и управления потоком ротора

1.5. Выводы по главе

Глова 2. Разработка математической модели системы управления положением вала двигателя переменного тока для пространственного гиба труб

2.1 Метод гиба трубы с использованием серводвигателей переменного тока с ЧПУ

2.2 Алгоритм управления трубогибочными машинами

49

2.3 Моделирования в MATLAB Simulink работы трубогиба при гибе трубы на 90°

2.4. Выводы по главе

Глава 3. Математическое моделирование режимов управления с использованием микроэлектромеханических систем (МЭМС)

3.1 Методы управления с использованием микроэлектромеханических систем (МЭМС)

3.2 Система отслеживания и обнаружения движения на основе датчика движения

3.2.1 Обзор литературы использования датчика для контроля движения объекта

3.2.2 Инерциальная Система Координат

3.2.3 Географическая Система Координат

3.2.4 Датчик ускорения MEMS

3.2.5 МЭМС-гироскоп

3.2.6 Преобразование кватерниона в осевой угол

3.2.7 Преобразование кватерниона в матрицу вращения

3.2.8 Преобразование кватерниона в углы Эйлера

3.3 Фильтр ориентации Мэджвика

3.2.6 Ориентация по угловой скорости

3.3.1 Ориентация как решение градиентного спуска

3.3.2 Ориентация от IMU

3.3.3 Ориентация по MARG (сочетание магнитной, угловой скорости и силы тяжести)

3.4 Метод Фильтра Калмана и обработка фильтрация углавых данных в системе МЭМС

3.4.1 Моделирование угловых данных Эйлера до фильтрации и после фильтрации с использованим фильтра Калмана в среде Matlab-Simulink

3.5 Выводы по главе

Глова 4. Моделирование режимов управления пространственным трубогибом в среде Solid works

4.1 Использование системы автоматизированного проектирования (САПР) в производстве и механической обработке с ЧПУ

4.1.1 Разница между 2D и 3D CAD чертежами и преимущества 3D CAD перед 2Д

4.1.2 Использование приложения Solid works для трубогибочного станка

4.1.3 Рисование формы трубы и её геометрия пространственной трубы в среде Solid work

4.1.4 Имитационная модель конечных элементов свободного трубогивочного машина

4.1.5 Математический анализ процесса свободного трубогивочного изгиба

4.1.6 Моделирование пространственной трубы в среде Solidwork

4.3. Трубогибочная система с рабочей станцией сквозного проектирования в среде SolidWork и системой контроля мониторинка

4.3 Выводы по главе

Заключение

Список Литературы

106

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода автоматизации процессов пространственного изгиба труб на основе микроэлектромеханических систем»

Введение

Актуальность. Необходимость изготовления изделий различной формы из труб разного диаметра требует разработки и создания новых методов и нового более технологичного и точного оборудования. Гнутые изделия круглой трубы используются в строительстве, создании различных конструкций и сооружений, широко используются на транспорте, используются при изготовлении механических частей для мебели и во многих других областях. Широко используемые методы изгиба труб с использованием роликовых трубогибов обеспечивают изгиб труб в одной плоскости в ручном или полуавтоматическом режимах, что существенно влияет на качество и производительность, повышает трудоемкость и стоимость изделий. В дополнение к обычным задачам - изгибом труб в одной плоскости возникают задачи изготовления изделий из труб в трехмерном пространстве. Создание таких конструкций осуществляется путем ручных перестановок заготовок с последующим гибом или с использованием сварочных работ, путем соединения отдельных частей, что значительно усложняет, а порой и делает невозможным изготовление требуемых конструкций. Создание технологии и системы изгиба труб в трехмерном пространстве позволяет автоматизировать технологический процесс изготовления сложных конструкций из одной заготовки в полуавтоматическом режиме, что значительно увеличивает производительность и снижает себестоимость. Разработка методов автоматизации процессов пространственного изгиба труб и систем управления изгибом труб в трехмерном пространстве является весьма актуальной задачей.

Цель диссертационного исследования.

Целью диссертационной работы является разработка метода автоматизации процессов пространственного изгиба труб на основе микроэлектромеханических систем. Разработка методов проектирования, управления и контроля, применение структур и алгоритмов управления режимами серводвигателей с МЭМС-системой контроля, обеспечивающих повышение эффективности, производительности, качества и надежности трубогибочного оборудования.

Поставленная цель достигается благодаря решению следующих основных

задач:

1. Разработать концепцию пространственного изгиба труб на основе современных методов управления и контроля траектории с применением микроэлектромеханических систем (МЭМС).

2. Разработать математическую модель управления положением заготовки трубы в трехмерном пространстве.

3. Провести анализ характеристик и особенностей режимов работы серводвигателей постоянного и переменного тока при работе в составе трубогибочной машины.

4. Исследовать методы управления режимами приводов постоянного и переменного тока для пространственного гиба труб.

5. Разработать математические модели и структурные схемы управления серводвигателями постоянного и переменного тока.

6. Провести разработку системы автоматического управления технологическим процессом изгиба, с использованием микроэлектромеханических систем для контроля траекторий.

Методы исследования. Поставленные задачи решались путем теоретических и экспериментальных исследований. Для решения поставленных задач в диссертации использованы: методы математического анализа, математического моделирования, методы векторного управления, теория автоматического регулирования и методы управления серводвигателями на основе системного контроля. В работе использованы современные методы моделирования и разработанные в пакете МаЙаЪ/ЗтиНпк математические модели, структуры и алгоритмы систем управления серводвигателями для высокоточных систем позиционирования.

Научная новизна состоит в создании, проведении и реализации следующих научно-обоснованных разработок:

1. Предложен метод автоматизации технологического процесса изготовления трехмерных изделий из труб различного диаметра с использованием специального оборудования, оснащенного микроэлектромеханической системой контроля, обеспечивающий изготовление и одновременный контроль фактического соответствия заданным формам и размерам.

2. Разработаны математические модели управления серводвигателями, обеспечивающие отслеживание положения трубы с использованием микроэлектромеханических систем контроля и предложен метод обработки данных, обеспечивающий возможность прогнозирования траектории движения заготовки.

3. Предложены и разработаны метод, алгоритм и структурная схема управления серводвигателями с обратной связью по положению, скорости и току при различных режимах изгиба труб, обеспечивающие повышение точности и снижение перерегулирования.

4. Разработана методика моделирования и сквозного проектирования изделий разной формы, разного диаметра из разных материалов в среде SoHdwork и программное обеспечение, обеспечивающее преобразование и трансляцию кодов управления трубогибочному оборудованию в реальном времени. Теорическая и практическая значимость результатов исследований

состоит в следующих научных результатах:

1. Математические модели систем управления режимами работы двигателей переменного тока при различных нагрузках в составе трубогибочной машины.

2. Сравнительный анализ методов скалярного и векторного управления для регулирования скорости ротора двигателя. В результате применение метода векторного управления может дать более точное управление скоростью вращения ротора двигателя при изменении крутящего момента, обеспечить повышение производительности и надежности системы.

3. Результаты моделирования асинхронного двигателя переменного тока для работы трубогиба при изгибе трубы под разными углами.

4. Структурные и функциональные схемы системы управления с использованием векторного управления двигателем для высокоточных систем позиционирования вала серводвигателя.

5. Результаты моделирования угловых данных Эйлера для снижения шума и получения точных данных от датчика данных с применением фильтров Калмана и Мэджвика.

Достоверность полученных результатов

Достоверность подтверждена математическим обоснованием полученных результатов и компьютерным моделированием, а также высокой степенью совпадения результатов математического и физического моделирования.

Личный вклад автора. В ходе выполнения диссертационной работы автором были разработаны алгоритмы и методы управления двигателями постоянного тока для точного позиционирования в режимах автоматического и автоматизированного управления, алгоритм расчета угловой скорости с применением фильтра Калмана, математические модели. Теоретические и практические результаты исследованы и получены автором лично. Результаты, выносимые на защиту:

1. Модель автоматизированной системы управления процессом трехмерного изгиба труб.

2. Результаты анализа эффективности регуляторов для достижения повышения качества в системах автоматического управления. Разработка системы управления двигателем переменного тока с использованием метода векторного управления.

3. Результаты моделирования угловых данных Эйлера и алгоритмы обработки сигналов с микроэлектромеханических систем для системного управления режимами работы двигателей пространственного трубогиба. Микропроцессорная система управления и контроля процесса изгиба трубы в трехмерном пространстве.

4. Методика моделирования, сквозного проектирования и производства трехмерных изделий разной формы, разного диаметра из разных материалов, в среде Solidwork.

Апробация работы. Результаты работы были представлены и обсуждались на следующих научных конференциях:

1. 24-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2017». -М.: МИЭТ, 2015 г.

2. 10-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Актуальные проблемы информатизации в науке и образовании и экономике -2017.»-М.: МИЭТ, 2016 г.

3. Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), 2018 IEEE Conference of Russian. 978-1-5386-4340-2/18/$31.00 ©2018 IEEE.

4. Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), 2019 IEEE Conference of Russian. 978-1-7281-0339-6/19/$31.00 ©2019 IEEE.

5. 11-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Актуальные проблемы информатизации в науке и образовании и экономике -2018.»-М.: МИЭТ.

6. 11-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Актуальные проблемы информатизации в науке и образовании и экономике -2018.»-М.: МИЭТ.

7. 26-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2019». М.: МИЭТ,

2019 г.

8. Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы информатизации в цифровой экономике и научных исследованиях» -МИЭТ, 28-29 ноября, 2019 г.

9. Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (2020 EIConRus),

2020 IEEE Conference of Russian.

10. Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (2020 EIConRus), 2020 IEEE Conference of Russian.

11. Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (2020 EIConRus), 2020 IEEE Conference of Russian.

12. 28-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2021»

Публикации по работе. Основные научные результаты диссертационной работы были опубликованы в 24 печатных работах, в том числе 3 работы в журналах, входящих в список, утвержденный ВАК и 7 работ в международной реферативной базе данных SCOPUS, а также 12 тезисов докладов на российских и международных конференциях, входящих в систему цитирования РИНЦ. Получено два свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019663173 от 09.12.2019 года, № 202161376 от 11.03.2021 года.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 40 наименований, 2 приложений использования результатов диссертационной работы. Работа содержит 124 страницы, включая 55 рисунков и 10 таблиц.

Глава 1. Анализ методов и технологий деформации изделий из металла и

способы их реализации.

При создании технологического оборудования с широким использованием промышленных роботов, выполняющих транспортные и технологические функции, создается новый тип систем машин - роботизированные технологические комплексы (РТК). В РТК роботы выполняются загрузку и разгрузку машин, прессов и других машин и выполняются основные технологические операции такие как, монтаж, сборка, покраска, проверка, сварка и т. д, для которых роботы оснащены специальными инструментами. Структура роботизированного комплекса может быть различной в зависимости от состава технологического оборудования и вспомогательных устройств промышленных роботов.

1.1. Классификация способов обработки металла

Методы деформации подразделяются на 5 групп и основаны главным образом на важных различиях в эффективных напряжениях [1].

1. Формирование при сжатии

2. Комбинированное формование при растяжении и сжатии

3. Формирование на растяжение

4. Формование путем гибки

5. Формирование путем сдвига

Рис 1.1 Классификация методов формирования изднлйе и метала

1.2. Основные проблеммы возникающие при пространственом гибе металлической трубы

Гибка - одна из наиболее распространенных операций металлообработки и это пластическая деформация металлов вокруг линейной оси, называемой осью изгиба, с незначительным изменением площади поверхности или без нее. Потенциальными преимуществами использования гибки в качестве процесса формования являются низкие затраты на оснастку и гибкий производственный маршрут [2]. Труба обладает высокой жесткостью при изгибе и кручении по отношению к своему весу. Использование труб для удовлетворения потребностей в легких и недорогих изделиях растет. Тонкостенные трубчатые детали играют важную роль в автомобильной, аэрокосмической, нефтяной и других различных отраслях промышленности благодаря их высокому соотношению прочности и веса [3]. Принцип гибки труб во многом такой же, как и при гибке листов и прутков. Холодная гибка металлических труб является очень важным методом производства, учитывая, что металлические трубы широко используются в самых разнообразных инженерных изделиях, таких как автомобили, самолеты, кондиционеры, воздушные компрессоры, выхлопные системы, жидкостные линии.

12

Хотя холодная гибка металлических труб является старым процессом обработки металла, он становится процессом точной металлообработки и требует обеспечения высокого качества. Существует множество методов холодной гибки, включая гибку при вращательном вытягивании, гибку при сжатии, изгибку в пустую, изгибку под давлением, изгибку при прокатке и т.д. Гибочные станки варьируются от ручных гибочных станков, гидравлических гибочных станков до полностью компьютеризированных гибочных станков с ЧПУ. Проблема, с которой сталкивается индустрия производства труб, заключается в том, что из-за требований заказчика к сложным деталям труб и жестких допусков часто возникают дефекты и отказы деталей труб, такие как нежелательная деформация, неточность углов изгиба и геометрии, истончение стенок, сплющивание, сморщивание, трещины и т.д. Все это находится в тесной взаимосвязи с выбором методов изгибки, конструкций инструмента / штампа, точностью установки штампа, настройкой станка, воздействием материала, рядом параметров процесса гибки, таких как минимальный радиус изгиба, подпружиненность, коэффициент стенки, коэффициент пустого изгиба и т.д. [4]. Однако в современных приложениях для формованных тонкостенных деталей возникли новые проблемы, в том числе прогнозирование допусков по размерам [5].

Рис 1.2 Изогнутые трубчатые детали; (а) различные радиусы изгиба, (б) 3D-

изгиб

1.3 Характеристики основных методов гибки

Как правило, методы изгиба труб можно разделить на две основные группы: т.е, при которых к трубе прикладывается изгибающий момент. Чистый изгиб - это метод изгиба с постоянным изгибающим моментом, а воздушный изгиб (MOS) -это метод изгиба с непостоянным моментом вдоль оси изгиба. С другой стороны, существуют методы гибки, которые не используют момент для самого процесса гибки. Термически индуцированный изгиб или лазерный изгиб, частичное изменение толщины стенки - вот некоторые примеры.

Таблица 1.1. Характеристики основных методов гибки

Типы гибки Минимальный радиус изгиба Макцимальный радиус изгиба

Одиночный, множественный, составной 1Do до 180°

Одиночный Серия различных углов изгиба Одиночная, составная, спиральная 2Do 2Do до 180° до 165°360°

Круговой, спиральный, спиральный 5Do 360°

Переменная кривизна Круги, овалы, прямоугольники, спирали - 180° 360°

Может показаться удивительным, что существуют методы изгибов, работающие без создания для создания пластических деформаций, необходимых для изгиба. Обычно изгиб осуществляется за счет сжимающих напряжений в направлении х выше нейтральной оси и растягивающих напряжений ниже нее, которые одновременно создаются изгибающим моментом. Если положение нейтральной оси находится в верхней части заготовки, зона с деформациями сжатия в направлении х

уменьшается до нуля, во время изгиба действуют только растягивающие деформации. Они могут быть введены локальным сжатием в направлении у, например локальным ударом молотка без применения какого-либо момента. Если нейтральная ось смещена к нижней части заготовки, может быть применен другой принцип, т.е. лазерное формование. При этом используются термические напряжения, которые вызывают локальное сжатие материала, что также приводит к искривлению трубы.

В работе проводится анализ режимов и исследуются методы управления процессами при изготовление изделий сложной формы из труб. Рассматриваются варианты построения приводов трубогибочных машин и методы автоматизации процессов, позволяющих повысить производительность, точность и качество изготовления сложных пространственных форм из труб, сократив количество ошибок при производстве.

Основными общими частями трубогибочного станка являются:

1. Гибочный Штамп - Изгибная матрица, также известная как форма изгиба или радиусная матрица, является наиболее важной частью ротационно-вытяжной гибочной машины. Труба зажимается к гибочной матрице, и процесс волочения производит необходимый изгиб. Выбор штампа очень важен, так как от него зависит внутренний радиус трубы.

2. Зажимной Штамп - Зажимная матрица прижимает трубу к гибочной матрице. Его основное назначение - предотвратить скольжение трубы.

3. Пресс-Форма - Пресс-форма гарантирует, что труба следует контуру изгибной матрицы.

4. Штамп стеклоочистителя - Плашка стеклоочистителя помещается сразу после изгиба плашки. Цель состоит в том, чтобы избежать образования каких-либо «горбов» на внутреннем радиусе. В процессе формования материал становится пластичным при изгибе. Это может привести к образованию морщин с большими деформациями. Таким образом, добавление матрицы стеклоочистителя сразу после изгиба матрицы помогает сгладить поверхность.

5. Оправка - при гибке стальных и алюминиевых труб оправка необходима для выполнения более сложных работ. Изгиб небольшого радиуса,

тонких трубок или более твердых материалов может привести к неудовлетворительному результату. В таких случаях оправка может быть очень важна. Цель оправки - не дать трубе разрушиться.

6. Привода подач - обеспечивающие качество процессов гиба.

Известно довольно много вариантов, когда необходимо согнуть трубы. Выбор процесса гибки сводится к требуемым радиусам изгиба, материалу и т. д.

Ротационная гибочная машина - это самый распространенный тип трубогиба. Во-первых, оператор машины закрепляет трубу на машине с помощью зажимной матрицы. Затем гибочная матрица начинает вращаться вокруг своей оси. В то же время неподвижная матрица давления гарантирует, что труба следует радиусу изгиба матрицы. Валковая гибочная машина - эти трубогибочные машины также известны как 3-рулонные гибочные машины. Подобно гибочным устройствам для рулонов листового металла, они обычно используются для достижения больших радиусов изгибов. Два нижних ролика имеют фиксированное положение. Высота верхнего ролика регулируется. Постепенно, с возвратно-поступательным движением между роликами, труба изгибается до получения оптимального результата. Гибка трубных валков достигает отличного результата, вызывая незначительную деформацию в поперечном сечении. Добавление оправки и матрицы стеклоочистителя - это возможность обеспечить лучший результат. Однако это необходимо только для более сложных работ, где деформации не допускаются. Например, труба с большим диаметром и малой толщиной стенки нуждается в большей поддержке. Как высокоточная и программируемая машина, она позволяет производить сложные детали партиями.

Сначала неподвижные штампы помещаются на рабочую станину. Расстояние между матрицами регулирует длину изгиба и угол изгиба. Радиус изгиба зависит от радиуса ползуна. Когда все встало на свои места, гидроцилиндр прижимается к трубе. Поскольку внешняя стенка трубы поддерживается штампами, плунжер может эффективно выполнять формовку металла. Изгиб плунжера подходит только в том случае, если деформация поперечного сечения не является проблемой. Из-за отсутствия внутренней опоры труба имеет овальное поперечное сечение. Орбитальные головки гибочных машин - обычно используются с автоматикой и

компьютерным управлением, они обеспечивают возможность вращения головок и цанг вокруг труб. Это повышает эффективность и производительность труда. Возможна автоматическая подача и выгрузка [6].

Сегодня большинство производителей использует гибочные станки с ЧПУ.ЧПУ расшифровывается как компьютер с числовым программным управлением. Это термин, часто используемый в производстве для описания машин, которые работают с программным обеспечением для выполнения своих операций. Обычные станки с ЧПУ включают токарные станки, сверла и другие обрабатывающие инструменты. Оператор использует программное обеспечение программирования для подачи данных о требуемой операции или операциях. Затем машина выполняет эти операции автоматически. Трубогибочные станки с ЧПУ обычно используют комбинацию прессов и роликов для направления труб и труб вдоль технологического процесса. В общем, гибка под управлением ЧПУ - это гибка, сделанная более производительной и эффективной с помощью автоматизации. В современном гибочном станке используются серводвигатели для обеспечения высоких требований к погрешности позиционирования, погрешности стабилизации скорости, широкому диапазону регулирования, стабилизации момента вращения, перегрузочной способности и высокой динамике.

Серводвигатели не являются особым классом двигателей, а представляют собой комбинацию конкретных деталей, которые включают в себя двигатель переменного или постоянного тока и подходят для использования в замкнутой системе управления. Сервопривод подразумевает управление с обратной связью по восприятию ошибок, которое используется для коррекции системы. Он также требует обычно сложного контроллера, часто специального модуля, разработанного специально для использования с сервомоторами. Функция серводвигателя состоит в том, чтобы принимать управляющий сигнал, представляющий желаемое выходное положение вала сервопривода, и подавать питание на двигатель до тех пор, пока его вал не повернется в это положение. Он использует позиционно-чувствительное устройство для определения положения вращения вала, поэтому известно, в какую сторону двигатель должен вращать вал, чтобы переместить в заданное положение. Вал обычно не вращается свободно,

однако он может просто поворачиваться на 200 градусов. Из положения ротора создается вращающееся магнитное поле, которое эффективно генерирует крутящий момент. Ток протекает в обмотке, создавая вращающееся магнитное поле. Нагрузка приводится в движение через передаточный механизм. Высокоэффективный редкоземельный или другой постоянный магнит расположен снаружи вала двигателя. Оптический энкодер всегда следит за количеством оборотов и положением вала.

Серводвигатели используются в областях и приложениях, требующих быстрого изменения скорости без перегрева двигателя:

1) в промышленности они используются в станкостроении, упаковке, автоматизации производства, погрузочно-разгрузочных работах, преобразовании печати, сборочных линиях и многих других требовательных приложениях робототехники, станков с ЧПУ или автоматизированного производства;

2) в радиоуправляемых самолетах для управления позиционированием и движением рулей высоты;

3) в роботах из - за их плавного включения и выключения и точного позиционирования;

4) аэрокосмической промышленности для поддержания гидравлической жидкости в своих гидравлических системах;

5) во многих радиоуправляемых игрушках и в электронных устройствах, таких как DVD-диски или проигрыватели дисков Blue-ray, для расширения или замены лотков для дисков;

6) в автомобилях для поддержания скорости транспортных средств и.т.д.

Преимущества:

- если к двигателю приложена большая нагрузка, то драйвер увеличит ток в катушке двигателя, когда он попытается вращать двигатель. Нет никакого нештатного состояния;

- возможна высокоскоростная работа.

Серводвигатель позиционного вращения является самым важным серводвигателем. Это также самый распространенный тип серводвигателя. Вал

двигателя вращается примерно на 180 градусов. Кроме того, он включает в себя физические упоры, расположенные в зубчатом механизме, чтобы остановить поворот вне этих пределов для защиты датчика вращения. Серводвигатель непрерывного вращения относится к общему позиционному серводвигателю вращения и может двигаться в любом направлении. Под управляющим сигналом, а не установлением статического положения сервопривода, понимается скорость и направление вращения. Диапазон потенциальных команд позволяет сервоприводу вращаться по часовой стрелке или против часовой стрелки, как предпочтительно, при изменении сигнала команды.

Управление серводвигателями - Серводвигатели очень точно контролируют положение и скорость. Потенциометр может определять механическое положение вала. Он соединяется с валом двигателя через шестерни. Текущее положение вала преобразуется в электрический сигнал с помощью потенциометра и сравнивается с командным входным сигналом. В современных серводвигателях используются электронные энкодеры или датчики, которые определяют положение вала.

Серводвигатель имеет три терминала:

- Сигнал положения(импульсы ШИМ);

- Vcc (ОтИсточникаПитания);

- Земля.

Угловое положение серводвигателя контролируется путем подачи ШИМ -импульсов определенной ширины. Длительность импульса варьируется примерно от 0,5 мс при повороте на 0 градусов до 2,2 мс при повороте на 180 градусов. Импульсы должны подаваться на частотах от 50 Гц до 60 Гц. Для генерации сигнала ШИМ (широтно-импульсной модуляции) показано на рис 1.3, можно использовать либо внутренний модуль ШИМ микроконтроллера, либо таймеры. Использование блока ШИМ является более гибким, как и большинство семейств микроконтроллеров. Для различной ширины импульсов ШИМ необходимо соответствующим образом запрограммировать внутренние регистры.

Нужно подать сигналы в микроконтроллер. Для этой цели можно использовать простой потенциометр и использовать АЦП для получения угла поворота или для более сложных приложений можно использовать акселерометр.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Е Тет Линн, 2022 год

Список Литературы

1. K. Lange, Handbook of metal forming, McGraw-Hill (1985), USA.

2. F. Paulsen and T. Welo, Application of numerical simulation in the bending of aluminium-alloy profiles, Journal of Materials Processing Technology, Volume 58, Issues 2-3 (1996), pp. 274-285.

3. H. Yang and Y. Lin, Wrinkling analysis for forming limit of tube bending processes Journal of Materials Processing Technology, Volume 152, Issue 3 (2004), pp. 363-369

4. Z. Jin, S. Luo and X. Daniel Fang, KBS-aided design of tube bending processes, Engineering Applications of Artificial Intelligence, Volume 14, Issue 5 (2001), pp. 599-606.

5. F. Paulsen, T. Welo and O. P. Sovik, A design method for rectangular hollow sections in bending, Journal of Materials Processing Technology, Volume 113, Issues 1-3 (2001), pp.699-704

6. https://fractory.com/tube-bending-machines

7. AC Induction Motor Vector Control, Driven by eTPU on MPC5500. AN3001Rev. 0, 06/2006

8. https://www.researchgate.net/publication/320106798_DESIGN_AND_IMPLEME NTATION_OF_THREE_PHASE_VARIABLE_VOLTAGE_IGBT_INVERTER_ FOR_THE_CONTROL_OF_INDUCTION_MACHINES.

9. KHARAGPUR, "Power semiconductor devices", version 2EEIIT

10. https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/fpga-based-systems-increase-mc-performance.html

11. Z. HAMORI: Villamos gepek, Tankonyvmester Kiado, (2001), pp. 79-83

12. S. HALASZ: Villamos hajtasok, BME Egyetemi Tankonyv, (1993) , pp. 183-184

106

13. M. A. LAUGHTON, D. F. WARNE: Electrical engineer's reference book, Newnes, (2003) , p. 19/6

14. A. HUGHES: Electric motors and drives: fundamentals, types, and applications, Newnes, (2005), pp. 286- 289

15. A. M. TRZYNADLOWSKI: Control of induction motors, Academic Press, (2001), pp. 101-102

16. K. P. KOVACS, I. RACZ: Valtakozoaram^ gepek tranziens folyamatai, Akademiai Kiado, (1954), pp. 40-42, 207-210

17. A. KELEMEN, M. IMECS: Vector Control of AC Drives, Volume 1: Vector Control of Induction Machine Drives, OMIKK Publisher, (1991), pp. 48-62

18. GY. RETTER: Villamosenergia-atalakitok, 2. kotet, Aszimmetrikus es tranziens uzem, Muszaki Konyv- kiado, (1987), pp. 64-78

19. K. P. KOVACS, I. RACZ: Valtakozoaram^ gepek tranziens folyamatai, Akademiai Kiado, (1954), pp. 40-42, 207-210.

20. GY. RETTER: Villamosenergia-atalakitok, 2. kotet, Aszimmetrikus es tranziens uzem, Muszaki Konyv- kiado, (1987), pp. 64-78

21. G. J. RETTER, K. NEMETH: Matrix and space-phasor theory of electrical machines, Akademiai Kiado, (1987), pp. 199-204.

22. SCHMIDT, GY.-NE VINCZE, K. VESZPREMI: Villamos szervo- es robothajtasok, Muegyetemi Kiado, (1999), p. 174

23. S. J. CHAPMAN: Electric Machinery Fundamentals, McGraw-Hill, (1998), pp. 430-436

24. Murata M., Kato T. Highly improved function and productivity for tube bending by CNC bender

25. TubeNet: The Site for Tube and Pipe Industries: [web] / Cop.: Juha Haapala. N. d. URL: http://www.tubenet.org.uk/technical/nissin_m.html (accessed: 07.01.2020).

26. Дартау В. А. Исследование метода векторного управления частотным асинхронным приводом для горных машин и установок: автореф. дис.канд. техн. наук (05.09.03). Л., 1974. 20 с.

27. Виноградов А. Б. Векторное управление электроприводами переменного тока. Иваново: ИГЭУ, 2008. 298 с.

28. Мерфи Дж. М. Д., Тернбулл Ф. Дж. Силовое электронное управление двигателями переменного тока. Оксфорд: Pergamon Press, 1985.

29. Алексеев В. В., Козярук А. Е., Загривный Э. А. Электрические машины. Моделирование электрических машин приводов горного оборудования. СПб.: СПГГИ, 2006. 58 с

30. Виноградов А. Б. Векторное управление электроприводами переменного тока. Иваново: ИГЭУ, 2008. 298 с.

31. Мерфи Дж. М. Д., Тернбулл Ф. Дж. Силовое электронное управление двигателями переменного тока. Оксфорд: Pergamon Press, 1985.

32. Система управления пространственным гибом труб. А. В. Щагин, Е Тет Линн, Зо Мьо Наин, Хтет Сое Паин, И. М. Кулавина. M. Shehata, S. M. Azab, and A. M. Fekry, "Facile caffeine electrochemical detection via electrodeposited ag nanoparticles with modifier polymers on carbon paste sensor at aqueous and micellar media," Canadian Journal of Chemistry, vol. 98, no. 4, pp. 169-178, 2020.

33. M. Shehata, S. M. Azab, and A. M. Fekry, "Facile caffeine electrochemical detection via electrodeposited ag nanoparticles with modifier polymers on carbon paste sensor at aqueous and micellar media," Canadian Journal of Chemistry, vol. 98, no. 4, pp. 169-178, 2020.

34. L. Weizheng and T. Xiumei, "Quality analysis of multi-sensor intrusion detection node deployment in homogeneous wireless sensor networks," The Journal of Supercomputing, vol. 76, no. 2, pp. 1331-1341, 2020..

35. N. K. Jain, D. S. Yadav, and A. Verma, "An adaptive neuro fuzzy inference system (anfis) based relay selection scheme for cooperative wireless sensor network," Wireless Personal Communications, vol. 115, no. 3, pp. 2591-2613, 2020.

36. Z. Shi, X. Zhang, and W. Zheng, "Two-step sparse representation based 2d Doa estimation with single moving acoustic vector sensor," Wireless Personal Communications, vol. 111, no. 4, pp. 2561-2575, 2020.

37. J. A. Jiang, J. C. Wang, H. S. Wu, C. H. Lee, and Y. C. Yang, "A novel sensor placement strategy for an Iot-based power grid monitoring system," IEEE Internet of Things Journal, vol. 7, no. 8, pp. 7773-7782, 2020.

38. O. Amjad, E. Bedeer, N. A. Ali, and S. Ikki, "Robust energy efficiency optimization algorithm for health monitoring system with wireless body area networks," IEEE Communications Letters, vol. 24, no. 5, pp. 1142-1145, 2020.

39. Yang J., Li J. B., Lin G. A simple approach to integration of acceleration data for dynamic soil-structure interaction analysis. Soil Dynamics and Earthquake Engineering. Vol. 26, Issue 8, 2006, p. 725-734.

40. Thong Y. K., Woolfson M. S., Crowe J. A., et al. Numerical double integration of acceleration measurements in noise. Measurement, Vol. 36, Issue 1, 2004, p. 7392.

41. Coelho B., Hölscher P., Barends F. Enhancement of double integration procedure through spectral subtraction. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol. 31, Issue 31, 2011, p. 716-722.

42. Arraigada M., Partl M. Calculation of displacements of measured accelerations, analysis of two accelerometers and application in road engineering. 6th Swiss Transport Research Conference, 2006.

43. Sebastian Madgwick. An efficient orientation filter for inertial and inertial/magnetic sensor arrays. April 30, 2010. http://www.x-io.co.uk/open-source-imu-and-ahrs-algorithms.

Приложение 1.

Програмный модуль управления положением и скорости двигателя постоянного тока с использованием ПИД регулятора

Приложение 2.

Программный модуль визуализации девятиосевого датчика IMU-9250

■ 11.13 Pitch- SS.6J000000000&01Taw. -28.980000000000004 I 14.290000000000061 Pitch- 45.28 Yaw- -28.98000000000000. ' 11.410000000000002 Pitch- 7.829999999999999 Yaw. -28.98'

■ 18.400009000000002 Pitch- 16.6 Yaw- -28.980000000000004

■ 13.42 Pitch- 26.660000000000004 Yaw- -28.9800000000000» i 114.43 Pitch- 34.21 Yaw- -28.980000000000004

■ 112.25 Pitch- 38.4 Yaw- -28.980000000000004

■ 19.83 Pitch- 43.16 Yaw- -28.980000000000004 '6.44 Pitch- 40.98 Yaw- -28.980000000000004

. 17.13 Pitch- 14.79 Yaw- -28.980000000000004 000e00009' . 113.15 Pitch- 15.84 Yaw- -28.980000000000004 ' 117.7 Pitch- 16.74 Yaw- -28.980000000000004

■ 121.79 Pitch- 18.83 Yaw- -28.980000000000004 • 121.89 Pitch- 19.32 Yaw- -28.980000000000004

■ 114.04 Pitch- 9.92 Yaw- -28.980000000000004 . 16.64 Pitch. 7.21 Yaw- -28.980000000000004

■ 11.24 Pitch- 18.78 Yaw- -28.980000000000004 . 3.45 Pitch- 17.32 Yaw- -28.980000000000004

. 13.79 Pitch- 18.12 Yaw- -28.980000000000004 . 13.57 Pitch- 18.77 Yaw- -28.980000000000004 ^^

. 0.24 Pitch- 24.82 Yaw- -28.980000000000004

. 0.07 Pitch- 27.13 Yaw. -28.980000000000004

■ 10.18 Pitch- 26.5 Yaw- -28.980000000000004 . 0.23 Pitch- 25.54 Yaw- -28.980000000000004

В программе Arduino:

#include <MPU9250.h>

#include<SoftwareSerial.h>

#include <Wire.h>

#include <TimerOne.h>

#include <math.h>

#include "MPU9250.h"

#define MPU9250_ADDRESS 0x68

#define MAG_ADDRESS 0x0C

#define GYRO_FULL_SCALE_250_DPS 0x00

#define GYRO_FULL_SCALE_500_DPS 0x08

#define GYRO_FULL_SCALE_1000_DPS 0x10

#define GYRO_FULL_SCALE_2000_DPS 0x18

#define ACC_FULL_SCALE_2_G 0x00 #define ACC_FULL_SCALE_4_G 0x08 #define ACC_FULL_SCALE_8_G 0x10 #define ACC_FULL_SCALE_16_G 0x18 float Gx,Gy,Gz; float Ax,Ay,Az; float theta, phi; float thetaM, phiM;

float thetanew, phinew; float thetaFold = 0, phiFold = 0 ; float thetaG = 0, phiG = 0; float psi; float dt;

// This function read Nbytes bytes from I2C device at address Address. // Put read bytes starting at register Register in the Data array.

void I2Cread(uint8_t Address, uint8_t Register, uint8_t Nbytes, uint8_t* Data) {

// Set register address Wire.beginTransmi ssion(Address); Wire.write(Register); Wire.endTransmission();

// Read Nbytes

Wire.requestFrom(Address, Nbytes); uint8_t index=0; while (Wire.available())

Data[index++]=Wire.read(); }

// Write a byte (Data) in device (Address) at register (Register)

void I2CwriteByte(uint8_t Address, uint8_t Register, uint8_t Data) {

// Set register address Wire.beginTransmission(Address); Wire.write(Register); Wire.write(Data);

Wire.endTransmission(); }

// Initial time

unsigned long ti;

volatile bool intFlag=false;

// Initializations

void setup() {

// Arduino initializations Wire.begin();

Serial.begin(115200);

// Set accelerometers low pass filter at 5Hz I2CwriteByte(MPU9250_ADDRESS,29,0x06); // Set gyroscope low pass filter at 5Hz I2CwriteByte(MPU9250_ADDRESS,26,0x06);

// Configure gyroscope range

I2CwriteByte(MPU9250_ADDRESS,27,GYR0_FULL_SCALE_1000_DPS); // Configure accelerometers range

I2CwriteByte(MPU9250_ADDRESS,28,ACC_FULL_SCALE_4_G); // Set by pass mode for the magnetometers I2CwriteByte(MPU9250_ADDRESS,0x37,0x02);

// Request continuous magnetometer measurements in 16 bits I2CwriteByte(MAG_ADDRES S,0x00,0x16);// 10 to 22

// Store initial time

ti=millis(); }

// Main loop, read and display data

void loop() {

/*while (!intFlag); intFlag=false;*/

// Display time

// Serial.print ((millis()-ti)/5,DEC); //Serial.print ("\t");

//_

// ::: Counter :::

// Display data counter // Serial.print (cpt++,DEC); // Serial.print ("\t");

//_

// ::: accelerometer and gyroscope :::

// Read accelerometer and gyroscope

uint8_t Buf[14];

I2Cread(MPU9250_ADDRESS ,0x3B, 14,Buf);//59 to 72 address (Dec.)

// Create 16 bits values from 8 bits data // Buf = wire.read() // Accelerometer

int16_t ax=-(Buf[0]<<8 | Buf[1]); // 59 and 60( store first two bytes into acc_X) int16_t ay=-(Buf[2]<<8 | Buf[3]);//61 and 62 (store middle two bytes into acc_Y) int16_t az= Buf[4]<<8 | Buf[5];//62 and 63 (store last two bytes into acc_Z) Ax = ax/8128.; Ay = ay/8128.; Az = az/8128.;

thetaM=-atan2(Ax,Az)/2/3.141592654*360;//calculation angle using accelerometer from lecture

phiM=-atan2(Ay,Az)/2/3.141592654*360;

thetanew =.9*thetaFold+.1*thetaM; // find angle with accelerometer by using complementary mthod

phinew =.9*thetaFold+.1*phiM;

// Gyroscope

int16_t gx=-(Buf[8]<<8 | Buf[9]);//67 and 68 int16_t gy=-(Buf[10]<<8 | Buf[11]);//69 and 70 int16_t gz= Buf[12]<<8 | Buf[13];//71 and 72 Gx = gx/32.8; Gy = gy/32.8; Gz = gz/32.8;

dt = (millis()-ti)/1000.; ti = millis();

thetaG = thetaG + Gy*dt; //approximation pitch by gyro phiG = phiG - Gx*dt;

theta = (theta+Gy*dt)*.90+ thetaM*.1;// complemaentry filter estimating theta = roll,phi=pitch angle using acclerometer and gyro

phi = (phi-Gx*dt)*.90+ phiM*.1;//(- is sensor side inverse if side is as true place sensor should be +)

// Display values // Gyroscope

/*Serial.print (Gx); Serial.print (",");

Serial.print (Gy); Serial.print (","); Serial.print (Gz); Serial.print (",");*/

// Accelerometer /*Serial.print (Ax); Serial.print (","); Serial.print (Ay); Serial.print (","); Serial.print (Az); */

//Compute accelerometer magnitude

int16_t acc_mag=sqrt(Ax*Ax + Ay*Ay + Az*Az);

Serial.print (acc_mag);

// Read magnetometer data uint8_t Mag[7];

I2Cread(MAG_ADDRESS,0x03,7,Mag); //MAG_ADDRESS

// Create 16 bits values from 8 bits data

// Magnetometer

int16_t mx=-(Mag[0]<<8 | Mag[2]); int16_t my=-(Mag[3]<<8 | Mag[4]); int16_t mz=-(Mag[5]<<8 | Mag[7]); psi = atan2(my,mx)/(2*3.14)*360;

// Magnetometer

/♦Serial.print (mx);//((mx+200),DEC); Serial.print ("\t");

Serial.print (my);//((my-70),DEC); Serial.print ("\t");

Serial.print (mz); //((mz-700),DEC);

Serial.print ("\t");*/

Serial.print(theta);

Serial.print (",");

Serial.print (phi);

Serial.print (",");

Serial.print (psi);

Serial.print (",");

// End of line Serial.println(""); thetaFold = thetanew; phiFold = phinew;

delay(100); }

В программе Python:

from vpython import * from time import * import numpy as np import math import serial

ad=serial.Serial('com3', 115200)

sleep(1)

scene.range=5

toRad=2*np.pi/360

toDeg=1/toRad

scene.forward=vector(-1,-1,-1)

scene.width=600

scene.height=600

xarrow=arrow(length=2, shaftwidth=.1, color=color.red, axis=vector(1,0,0)) yarrow=arrow(length=2, shaftwidth=.1, color=color.green, axis=vector(0,1,0)) zarrow=arrow(length=4, shaftwidth=.1, color=color.blue, axis=vector(0,0,1))

frontArrow=arrow(length=4,shaftwidth=.1,color=color.purple,axis=vector(1,0,0)) upArrow=arrow(length=1,shaftwidth=.1,color=color.magenta,axis=vector(0,1,0)) sideArrow=arrow(length=2,shaftwidth=.1,color=color.orange,axis=vector(0,0,1))

bBoard=box(length=6,

width=2,height=.2,opacity=.8,pos=vector(0,0,0),color=color.white) bimu=box(length=1,width=.75,height=.1,pos=vector(-.5,.1+.05,0),color=color.blue) uno=box(length=1.75,width=.6,height=.1,pos=vector(-2,.1+.05,0),color=color.green) myObj=compound([bBoard,bimu,uno])

xpos=0

ypos=0

zpos=0

change=0

time=1

while (True): try:

while (ad.inWaiting()==0): pass

dataPacket=ad.readline() dataPacket=str(dataPacket,'utf-8') splitPacket=dataPacket.split(",") roll=float(splitPacket[0])*toRad pitch=float(splitPacket[1])*toRad yaw=float(splitPacket[2])*toRad

print("Roll=",roll*toDeg," Pitch=",pitch*toDeg," Yaw=",yaw*toDeg) rate(50)

k=vector(cos(yaw)*cos(pitch), sin(pitch), sin(yaw)*cos(pitch))

y=vector(0,1,0)

s=cross(k,y)

v=cross(s,k)

vrot=v*cos(roll)+cross(k,v)*sin(roll)

frontArrow.axis=k

sideArrow.axis=s upArrow.axis=vrot

myObj.axis=k

myObj.up=vrot

sideArrow.length=2

frontArrow.length=4

upArrow.length=1

Acc_x=float(splitPacket[3])

Acc_y=float(splitPacket[4])

Acc_z=float(splitPacket[5])

print (Acc_x, Acc_y, Acc_z)

except:

pass

Приложение 3

Програмный модуль управления положением и скорости двигателя постоянного тока с использованием ПИД регулятора

Приложение 4

Программый модуль визуализации девятиосевого датчика IMU-9250