Planowanie trajektorii i elektroniczne krzywki

Czy na studiach inżynierii mechanicznej lub automatyki uczy się sterowania napędami?
Już około 1497 roku Leonardo da Vinci wymyślił mechanizm krzywkowy. Około 1970 roku, Nautilus wykorzystał ten pomysł do modulowania siły na stanowisku do ćwiczeń mięśni. Krzywki, dzięki którym ruch obrotowy można przekształcić na nieliniowy ruch posuwisty, stosowane są od lat. Jeszcze do niedawna ich konstrukcja i zastosowanie były tematem numer 1 w inżynierii mechanicznej, ale w ostatnich latach sytuacja bardzo się zmieniła.
W urządzeniu mechatronicznym integracja jest kluczowym elementem, ponieważ większość problemów projektowych przeniesiono z mechaniki do elektroniki i informatyki. Bardzo dobrym przykładem jest mechanizm krzywkowy: tradycyjne mechaniczne przełożenie zastępowane  jest coraz częściej przełożeniem elektronicznym. Ale zanim rozpoczniemy przygodę z krzywkami elektronicznymi, należy poznać zasadę działania krzywek jako takich. Ponieważ studenci inżynierii mechanicznej (w USA) nie uczą się już na ogół o krzywkach, a program studiów w kierunku automatyka nigdy ich nie uwzględniał, wiele napędów pracuje z nieodpowiednimi trajektoriami, powodując niepotrzebne naprężenia i wibracje.
Aby zapoznać się z sytuacją w branży napędów, spotkałem się z Aderiano De Silva, ekspertem ds. sterowania napędami i budowy maszyn w Rockwell Automation w Mequon, w USA. Według jego opinii planowanie trajektorii i jej implementacja w systemach czasu rzeczywistego nie jest zbyt dobrze rozumiane i przez to zaniedbywane. Myśli się o tym dopiero gdy pojawią się problemy.
Planowanie trajektorii to proces obliczeniowy, w wyniku którego otrzymuje się profile ruchu dla poszczególnych systemów wykonawczych maszyn pakujących, obróbkowych, montażowych, a także robotów. Kinematyka (prosta i odwrotna) oraz model dynamiczny maszyny i jej elementów wykonawczych muszą być znane. Trajektoria jest zwykle określana jako sparametryzowana funkcja położenia w czasie. Opracowanie trajektorii to jednak nie tylko profile ruchu dla każdego mechanizmu wykonawczego – to także uwzględnienie dyskretyzacji, nasycenia, obciążenia i wibracji spowodowanych obciążeniem.
W minionych dekadach mechaniczne krzywki były powszechnie stosowane do przenoszenia, koordynowania i zamiany ruchu jednostki master na ruch aktuatora wtórnego. Zastąpienie ich krzywkami elektronicznymi w celu zwiększenia elastyczności rozwiązań znacznie zwiększyło wydajność pracy maszyn, ułatwiło, a wręcz umożliwiło ewentualne późniejsze zmiany i zmniejszyło koszty. Dzięki elektronicznym krzywkom wiele skomplikowanych mechanizmów można było zastąpić jednym lub wieloma silnikami, które wykonywały odpowiedni, zsynchronizowany ruch.
Gdy wymagania dotyczące wzajemnych przemieszczeń poszczególnych aktuatorów zostaną określone, należy wziąć pod uwagę obciążenie poszczególnych elementów wykonawczych, dopuszczalne przyspieszenia i potencjalne źródła błędów nadążania. Inżynier musi więc rozważnie wybrać ścieżkę ruchu dla każdego z aktuatorów, aby zaplanowana trajektoria rzeczywiście była osiągalna. Poprawność działania systemu musi zostać zweryfikowana badaniami w dziedzinie czasu i częstotliwości. Analizie należy poddać system jako całość, ale także jego poszczególne mechanizmy wykonawcze – szczególnie te najbardziej obciążone. Aby zmniejszyć błąd nadążania, warto stosować feed-forward i odpowiednio kształtować sygnały wejściowe.
Polecam książkę „Trajectory Planning for Automatic Machines and Robots” autorstwa Lugii Biagotti i Claudio Melchiorri. Wiedza z minionych lat połączona z nowoczesną technologią to innowacja. Inżynierowie nie mogą o tym zapominać.
Artykuł pod redakcją mgr. inż. Łukasza Urbańskiego, doktoranta w Katedrze Automatyki rzemysłowej i Robotyki Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie.
CE