Aktuální vydání

celé číslo

08

2024

Automatizace v potravinářství a farmacii

Měření a regulace průtoku, čerpadla

celé číslo

Robotický kalibrační a simulační stend pro vozíky na měření geometrické polohy kolejí

Stěžejním produktem firmy Komerční železniční výzkum, s. r. o. (KŽV), zabývající se vývojem a výrobou diagnostických prostředků pro železniční svršek, je systém zvaný Krab. Jde o vozík určený ke kontinuálnímu měření geometrické polohy koleje (GPK) vybavený vyhodnocovacím softwarem. Toto zařízení bylo vyvinuto nejen pro potřeby tuzemské železnice, ale především pro vývoz do zahraničí. Jako každé měřicí zařízení, vyžaduje i vozík Krab pravidelnou kalibraci. Proto byl vyvinut kalibrační stend, který vyhovuje současným technickým požadavkům.
 

Vozík Krab

 
Vozík Krab (obr. 1) je při měření většinou ručně tlačen po kolejích, je však možné jej táhnout či tlačit např. dvoucestným vozidlem. Měření geometrické polohy koleje zahrnuje hodnocení rozchodu, převýšení, směru, výšky a zborcení (změny převýšení) koleje (obr. 2). Krab je tětivový měřicí systém, tzn. že podélná výška a směr koleje se měří pomocí vzepětí na asymetrické tětivě. Vzepětí směru a výšky se měří pouze na jednom kolejnicovém pásu, situace na druhém kolejnicovém pásu se dopočítá za využití signálů udávajících rozchod a převýšení. Pro zpřesnění měření převýšení je Krab vybaven pomocným ramenem zborcení. Měření probíhá s výsledným vzorkovacím intervalem 0,25 m. Ke sběru dat se využívá robustní PDA s operačním systémem Windows Mobile. Naměřené hodnoty se pak přenesou do PC a dále se vyhodnocují.
 

Konstrukce stendu

 
Myšlenka vytvořit robotický kalibrační stend se zrodila z potřeby zefektivnit a zpřesnit dosavadní způsob kalibrace vozíků Krab (a podobných vozíků), jelikož všechna zařízení v provozu by se měla kalibrovat pravidelně v ročních intervalech. V průběhu vývoje se však objevila zajímavá myšlenka – vedle kalibrace simulovat pomocí stendu průjezd vozíku tratí. Vozík Krab je v základní konfiguraci osazen šesti snímači. Jedním z nich je snímač ujeté vzdálenosti, který lze simulovat elektronicky. Proto stačilo vybavit stend pěti pohony.
 
Rám stendu je složen z horního dílu, na který se pokládá Krab, a spodního dílu, který stojí na zemi. Oba díly jsou mezi sebou kloubově spojeny a toto spojení umožňuje naklápět horní díl vzhledem ke spodnímu, tedy i proti zemi, a tím nastavovat převýšení.
 
Protože se vozíky Krab vyrábějí pro železniční rozchody v rozmezí 750 až 1 668 mm, je stend vybaven odpovídajícím pohybovým mechanismem. Změny směru a výšky zajišťuje mechanismus se dvěma stupni volnosti, pohyb ramene zborcení zajišťuje také speciální mechanismus.
 
Všechny pohybové mechanismy jsou realizovány pomocí hybridních krokových motorů Berger-Lahr. Motory umožňují krokování až 10 000 kroků na otáčku, pro použití ve stendu však stačí 1 000 kroků na otáčku i díky využití převodů do pomala. Převod rotačního pohybu na posuvný je zajištěn ozubenými řemenovými převody a kuličkovými šrouby.
 

Řídicí hardware

 
Pro řízení pohybů je použita karta PCI-7356 firmy National Instruments (NI). Jde o kartu pro řízení až šesti krokových i stejnosměrných servomotorů, kterou lze zapojit do slotu PCI stolního PC. Karta má také osm analogových vstupů a 64 digitálních vstupů/výstupů a a lze k ní připojit i zpětnovazební vstup. Dále má karta možnost tzv. on-board programování, takže na ní mohou běžet aplikační programy pro řízení pohybu v reálném čase i bez použití operačního systému reálného času. Při použití ve stendu pracuje karta v režimu step/dir. To znamená, že pro každý motor karta generuje dva signály – krok a směr. Tyto signály jsou zpracovány měničem Berger-Lahr SD3-15. Na základě signálů step/dir generuje měnič napěťový signál ve tvaru tří vzájemně posunutých zubovitých křivek podobných sinusoidě. Tyto signály vytvářejí na statoru motoru točivé magnetické pole. Měniče SD3-15 jsou napájeny ze dvou spínaných zdrojů firmy BKE stejnosměrným napětím 24 V.
 
Jelikož jsou použity krokové motory a karta pro řízení pohybu je vybavena čítačem kroků, není nutné používat zpětnovazební senzory. Řízení tedy probíhá v otevřené smyčce. Po zapnutí stendu se spustí inicializační program, který nejprve pošle všechny pohony do polohy dané přesnými koncovými spínači, od nichž odpočítá příslušný počet kroků. Takto se stend ustaví do výchozí polohy. V praxi se ukázalo, že tato technika funguje velmi dobře, pouze je třeba důsledně zajistit polohy koncových snímačů.
 

Vývojové prostředí LabView

 
Kartu PCI-7356 je možné jednoduše programovat v grafickém prostředí LabView, které obsahuje mimo jiné ovladač NI Motion s velkým množstvím hotových funkcí přesně pro karty NI pro řízení pohybu. V LabView byly vytvořeny dva základní programy – kalibrační a simulační.
 

Kalibrační program

Kalibrační program pracuje ve dvou režimech. Prvním je režim ovládání jednotlivých os, který je určen jak k ručnímu kalibrování za použití PDA vozíku Krab, tak k najíždění do požadovaných poloh během servisních úkonů na vozíku. Druhým režimem je automatické kalibrování (obr. 3), které probíhá v těchto krocích: Stend najíždí do naprogramovaných poloh. Polohy jsou naprogramovány tak, aby tvořily uzavřený cyklus. V každé poloze jsou načtena data ze snímačů vozíku Krab a ukládána do PC. Po projetí cyklu se na základě uložených dat vypočtou kalibrační konstanty. Pouhým kliknutím na tlačítko se pomocí prvku ActiveX vygeneruje kalibrační protokol v systému MS Excel.
 

Simulační program

Při běhu simulačního programu je vozík Krab v režimu sběru dat stejně, jako by měřil v trati. Do motorů stendu vstupují signály naměřené v trati, popř. uměle vytvořené signály. Vozík Krab vyhodnocuje pohyb motorů a zaznamenává naměřené hodnoty. Po skončení simulace se ověří, zda hodnoty naměřené vozíkem odpovídají vstupním signálům simulace. Tím se odhalí případné chyby na testovaném vozíku.
 
Simulační program běží z programových důvodů ve dvou paralelních smyčkách. To ale nepředstavuje problém, protože LabView paralelismus zvládá. Program využívá kartu s vyrovnávací pamětí (bufferem), která se doplňuje v momentě, kdy se v ní počet vzorků zmenší pod nastavenou mez. Jelikož stend je vybaven pěti pohony, poslední výstup karty pro řízení pohonu pro šestou osu se za pomoci dvou klopných obvodů typu D využívá ke generování pulzů inkrementálních rotačních snímačů dráhy.
 

Závěr

 
Kalibrační a simulační stend (obr. 5 a obr. 6) se již osvědčil při mnoha kalibracích a simulacích. Použité hybridní krokové motory se ukazují jako velmi precizní, neztrácejí krok a netrpí nežádoucími rezonancemi, jako je tomu u motorů s permanentními magnety. Snad jedinou nevýhodou těchto motorů je to, že po odpojení od napájení ztrácejí přídržný moment, a tedy i polohu, jsou-li zatíženy. Tento nedostatek byl vyřešen použitím brzdy motoru. Díky vývojovému prostředí LabView a velkému množství hotových funkcí bylo možné snadno a rychle naprogramovat řídicí aplikace. Výhodou použitého řešení
je také možnost snadno a rychle doprogramovat nové funkce, které se do budoucna předpokládají.
Ing. Petr Kotajný,
Komerční železniční výzkum, s. r. o.
 
Obr. 1. Měřicí vozík Krab
Obr. 2. Vozík Krab a měřené veličiny
Obr. 3. Uživatelské rozhraní kalibračního programu
Obr. 4. Použitý hardware: svorkovnice společnosti National Instruments, měniče a motory firmy Berger-Lahr, zdroje společnosti BKE
Obr. 5. Kalibrační stend
Obr. 6. Kalibrační stend s nasazeným vozíkem Krab