К компетенциям - через инноватику

Подождите немного. Документ загружается.

121

8. Thomas Tennant Haas makes machine controls its own way // Sept/Oct 2000 is-

sue of Medical Equipment Designer. URL: http://www.manufacturingcenter.com/

med/archives 0900/0900tc.asp (дата обращения: 31.08.2009).

9. Bill Griffith CNCTechnology For Mold Applications. URL:

http://www.mmsonline.com/ar-ticles/070102.html (дата обращения: 31.08.2009).

10. Todd Schuett A Closer Look At Look-Ahead. MMS Online. URL:

http://www.mmsonline. com/articles/039603.html (дата обращения: 31.08.2009).

11.Мартинов Г. М. Академическая версия системы 4nyWinPCNC // Инст-

румент, технология, оборудование. – 2007. – № 8. – С. 62–64.

Ю. И. Романова, студентка;

научный руководитель – А. Н. Носырев

Новоуральский государственный технологический институт

Разработка экспериментальной модели автоматизированной

системы для обеспечения выполнения функции обхода здания

с фиксацией мест, где дверь не заперта

В последнее время вопросы роботостроения и робототехники

приобретают все большую актуальность. Связано это в первую оче-

редь с тем, что использование роботов в промышленности, электро-

нике и других областях не только позволяет значительно снизить за-

траты на производственный процесс, но и максимально оптимизиро-

вать его.

В докладе рассматриваются вопросы, связанные с разработкой

и практическим применением робота в целях оптимизации процесса

контроля персоналом надлежащего состояния учебных аудиторий

института.

В начале считаем закономерным дать определения понятиям,

встречающимся в данной работе.

Робот – это технический комплекс, предназначенный для выполне-

ния различных движений и некоторых интеллектуальных функций

человека и обладающий необходимыми для этого исполнительными

устройствами, управляющими и информационными системами, а так-

же средствами решения вычислительно-логических задач [7].

В настоящее время различают три поколения роботов [6]:

• программные – жестко заданная программа (циклограмма);

122

• адаптивные – возможность автоматически перепрограммиро-

ваться (адаптироваться) в зависимости от обстановки; изначально

задаются лишь основы программы действий;

• интеллектуальные – задание вводится в общей форме, а сам ро-

бот обладает возможностью принимать решения или планировать

свои действия в распознаваемой им неопределенной или сложной

обстановке.

Разработанная нами модель робота (рис. 1) относится к про-

граммным роботам, т. е. действующим по жестко заданной програм-

ме (циклограмме).

Рис. 1. Модель робота: 1 – датчик давления; 2 – веб-камера;

3 – мобильная платформа; 4 – аккумуляторы

Его основные функции: отслеживать, заперты ли все помещения

в институте, а также во всех ли аудиториях выключен свет.

Робот способен двигаться независимо, без контроля человека – для

этого в его памяти заложена программа определенного маршрута, –

а также имеет возможность выяснять: заперта дверь в помещении или

нет. В случае если дверь не заперта, робот включает встроенную веб-

камеру и при помощи системы WI-FI передает сигнал в виде картинки

на пост дежурного охранника. Картинка представляет собой потоко-

вый видеосигнал в реальном времени.

В процессе разработки действующей модели нами была использо-

вана следующая архитектура. Робот представляет собой мобильную

платформу, снабженную веб-камерой, системой WI-FI, а также фото-

импульсными датчиками и таймером.

Для передвижения используется колесный ход с восьмью веду-

щими колесами. Колеса снабжены системой реверсивного хода для

облегчения прохождения поворотов мобильной системой, а также

123

системой перераспределения мощности, что дает возможность робо-

ту преодолевать различные препятствия, спускаться и подниматься

по лестницам.

Система питания состоит из четырех аккумуляторов, мощность

каждого из них 9 В, и снабжена системой подзарядки в пути. Подза-

рядка осуществляется при помощи генераторов, подсоединенных

к каждому колесу.

В основе робота лежит микроконтроллер, драйвер управления

двигателями, программатор, датчик давления и фотоимпульсные дат-

чики.

Как мы отметили выше, робот движется по строго запрограмми-

рованному маршруту, основываясь на данных о расстоянии, которое

ему необходимо проехать, и показаниях встроенного «метромера».

Также при разработке маршрута учитывались так называемые «оста-

новочные точки», которые располагаются строго напротив дверей

учебных аудиторий, и каждой из них присвоен свой цифровой код,

позволяющий идентифицировать их роботом как номер той или иной

аудитории. Останавливаясь в этой точке, робот проверяет, заперта

дверь или нет. Для этого используется датчик давления, т. е. робот

подъезжает вплотную к двери и продолжает движение. В соответст-

вии с разработанной программой может возникнуть три различных

ситуации. В первой из них робот не встретит на своем пути сопро-

тивления, которое возникает при запертой двери. Это будет означать,

что дверь открыта. Во второй ситуации робот встретит на своем пути

сопротивление, но будет продолжать движение вперед до тех пор,

пока датчик давления не зарегистрирует «критической массы», что

означает запертую дверь. И в третьем случае рассматривается ситуа-

ция, когда робот, натолкнувшись на препятствие, продолжит движе-

ние и сможет открыть захлопнутую, но не запертую дверь. Такое

действие регистрируется как появление давления на датчике, а затем

его резкий спад.

В случаях, когда дверь открыта либо просто прикрыта, робот

включает встроенную веб-камеру и передает цветное изображение на

диспетчерский пульт, используя систему WI-FI.

Еще одной особенностью робота является возможность движения

с постоянно включенной веб-камерой, что позволяет контролировать

не только наличие освещенности в учебных помещениях и «запер-

тость» дверей, но и в целом отслеживать ситуацию в коридорах

и аудиториях.

124

Список литературы

1. Введение в мехатронику : в 2 кн. / под ред А. К. Тугенгольда. –

2-е изд., перераб. и доп. – Ростов н/Д : Издат. центр ДГТУ, 2002.

2. Востриков А. С., Боченков Б. М. Опыт разработки мехатронных сис-

тем в НГТУ // Мехатроника. – 2000. – № 5.

3. ГОСТ 34.602–89. Техническое задание на создание автоматизирован-

ной системы.

4. Егоров О. Д., Подураев Ю. В. Конструирование мехатронных модулей :

учебник. – М. : ИЦ МГТУ «СТАНКИН», 2004.

5. Интеллектуальные системы автоматического управления / под ред.

И. М. Макарова, В. М. Лохина. – М. : Физматлит, 2001.

6. Подураев Ю. В. Мехатроника: основы, методы, применение. – М. :

Машиностроение, 2007.

7. Попов Е. П., Письменный Г. В. Основы робототехники: Введение в спе-

циальность : учеб. для вузов по специальности «Роботехнические системы

и комплексы». – М. : Высш. шк., 1990. – 224 с.

8. Юревич Е. И. Робототехника : учеб. пособие. – СПб. : Изд-во

СПбГТУ, 2001.

9. Сайт Паяльник. URL: http://www/cxem.net (дата обращения: 31.08.2009).

10. Сайт «Роботы, робототехника, микроконтроллеры». URL:

http://www.myrobot.ru (дата обращения: 31.08.2009).

11. Сайт «Практическая робототехника». URL: http://www.roboclub.ru (да-

та обращения: 31.08.2009).

А. В. Свинов, магистрант;

научный руководитель – д-р техн. наук, проф. Ю. В. Турыгин

Ижевский государственный технический университет

Дистанционное управление линейным двигателем

В настоящее время к асинхронным линейным двигателям, относи-

тельно простым по конструкции, проявляется больший интерес. Та-

кой интерес линейные двигатели заслужили благодаря своим пре-

имуществам, например, отсутствию передаточного движения в виде

преобразователя движения, что позволило снизить механические по-

тери, упростить кинематическую схему, повысить надежность и точ-

ность управления. Таким образом, возникла необходимость в специа-

листах, которые обладают определенными знаниями в этой области.

Данная статья поможет понять основные особенности в устройстве

управления двигателем и способах управления им.

125

Линейный двигатель является электрической машиной, принцип

работы которой основан на использовании энергии бегущего магнит-

ного поля. Наиболее просто можно представить себе ЛАД, если мыс-

ленно разрезать по образующей цилиндра обычный асинхронный

двигатель и развернуть его в плоскость. Развернутый в плоскость

статор асинхронного двигателя является первичным элементом,

а развернутый ротор – вторичным элементом линейного двигателя

(рис. 1).

Рис. 1. Общий вид линейного асинхронного двигателя

Стальной сердечник первичного элемента выполняется шихто-

ванным, а в его пазах укладывается многофазная (обычно трехфаз-

ная) обмотка. Вторичный элемент выполняется с короткозамкнутой

обмоткой, уложенной в пазы стального сердечника, или представляет

собой сплошную токопроводящую пластину. Пластина изготовляется

из меди, алюминия или ферромагнитной стали. При включении об-

мотки первичного элемента в многофазную сеть образуется магнит-

ное поле, которое перемещается вдоль магнитопровода со скоростью

ф ,

V f

где τ – полюсное деление; f – частота питающего напряжения.

Магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индук-

тирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке начнут проте-

кать токи. Взаимодействие токов с магнитным полем приведет к по-

явлению силы, действующей в направлении перемещения магнитно-

го поля. Ротор под действием этой силы начнет двигаться

с некоторым отставанием (скольжением) от магнитного поля.

Основные достоинства линейного двигателя в сравнении с линей-

ными приводами с преобразованием движения:

− компактность, легкость и надежность конструкции (в прямом

приводе отсутствует трансмиссия и другие традиционные элементы –

редукторы, механизмы передачи, муфты, подшипники редуктора,

сальники, опорная рама и т. д.);

126

− вследствие отсутствия трущихся частей компоненты двигателя

прямого привода не подвержены износу, а значит, заданная точность

обеспечивается на протяжении всего срока службы оборудования;

− максимально высокие показатели точности при больших скоро-

стях;

− способность создавать больший момент и, как следствие этого,

возможность развития значительных ускорений, в том числе под на-

грузкой;

− устойчивость всех основных электромагнитных и механиче-

ских характеристик во время работы;

− низкие уровни шума и вибрации;

− простота и удобство монтажа.

Благодаря своим достоинствам ЛД находят применение во многих

технических объектах, в том числе и в мехатронных модулях и сис-

темах.

На работу линейного двигателя оказывают существенное влияние

краевые эффекты, возникающие из-за конечных размеров разомкну-

тых магнитопроводов элементов. Это приводит к ухудшению таких

характеристик, как тяговое усилие, коэффициент мощности и КПД.

Линейные двигатели могут быть успешно применены на ленточных

и тележечных конвейерах, в приводах эскалаторов и движущихся тро-

туаров, в металлорежущих и ткацких станках, где рабочие органы со-

вершают возвратно-поступательное движение. Большие перспективы

имеет применение линейных двигателей для транспорта. Основным

преимуществом линейного двигателя в этом случае является возмож-

ность получения высоких скоростей движения до 400–500 км/ч.

Для управления ЛАД выбран преобразователь частоты

Commander SE компании Control Techniques. Commander SE – это

новейший преобразователь частоты, предназначенный для управле-

ния серийными и специальными асинхронными электродвигателями

переменного тока как в скалярном режиме (V/Hz), так и в режиме

бессенсорного вектора.

Преобразователь частоты Commander SE обладает следующими

преимуществами:

– минимальный шум электродвигателя и максимальная защита

привода при помощи интеллектуального контроля температуры;

– последовательная связь RS-485;

– возможность для пользователя получить доступ по интерфейсу

к таким расширенным функциям, как ПИД-регулятор, автопотенцио-

метр, восемь предустановленных скоростей, программируемый ком-

127

паратор, программируемые аналоговые входы, программируемые

дискретные входы, программируемая логика, управление вторым

электродвигателем.

Так как для коммуникации ПЧ Commander SE использует стан-

дарт RS-485, а обычный персональный компьютер с базовой ком-

плектацией не способен напрямую передавать информацию по дан-

ному протоколу, то для того, чтобы установить связь, необходимо

использовать преобразователь протокола (конвертер). Наиболее

предпочтительным является преобразование к стандарту RS-232, так

как RS-485 является его аппаратной разновидностью.

Основу конвертера составляют конвертер уровней МАХ232

и дифференциальный трансивер стандарта RS485 LTC485. Поскольку

стандарт RS-485 является полудуплексным, то необходимо организо-

вать возможность переключения конвертера в режим прие-

ма/передачи. Возможны два решения данной проблемы:

1) управление при помощи сигнала RTS;

2) аппаратное переключение (при появлении сигнала с РС конвер-

тер автоматически переключается в режим передачи).

Для возможности использования конвертера в других приложени-

ях (где управление RTS сигналом не предусмотрено или затруднен-

но) был выбран аппаратный вариант переключения прием/передача,

организованный при помощи И-ИЛИ логики (рис. 2).

Рис. 2. Схема электрическая принципиальная конвертера RS485 – RS232

Так как используемые микросхемы довольно чувствительны к пе-

репадам питающего напряжения, требуется обеспечить стабилизацию

напряжения. Основу стабилизатора напряжения составляет регулятор

напряжения 78L05Z 78L05 100mA 5V (рис. 3).

128

Рис. 3. Схема электрическая принципиальная стабилизатора напряжения

В целях исследования характеристик линейного привода по

всей длине рабочего пространства (l) используется решетка с по-

стоянным шагом (x) и шириной щелей (s) (рис. 4). На роторе рас-

положен оптический датчик, датчики по краям – датчики конечно-

го положения. Микроконтроллер подсчитывает время от начала

движения для каждого импульса, поступающего от оптических

датчиков. Затем данные отправляются на ПК, где проходят даль-

нейшую обработку и на их основе строятся скоростные характери-

стики привода.

Рис. 4. Решетка системы измерения скоростных характеристик

Для снятия скоростных характеристик линейного асинхронного

двигателя наиболее предпочтительным по нескольким причинам

является микроконтроллер Atmel АТ89С5131. Во-первых, Atmel

АТ89С5131 – это быстродействующий процессор с широко из-

вестным ядром 8051, имеющий шесть конечных точек и достаточ-

но недорогой. Во-вторых, для реализации схемы требуется мини-

мум дополнительных компонентов. Немаловажно и наличие бес-

платного ассемблера, компилятора языка С, программатора

и драйверов. Также имеется возможность программирования про-

цессора по USВ-каналу. Контроллер АТ89С5131 содержит специ-

альный аппаратный модуль, который позволяет микропроцессору

обеспечивать обмен данными по USB-интерфейсу. Для этого не-

обходимы опорные синхроимпульсы с частотой 48 МГц, которые

129

вырабатываются контроллером синхронизации. Эти синхроим-

пульсы используются для формирования 12 МГц тактовых им-

пульсов из принятого дифференциального потока данных USB

и передачи данных на высокой скорости, соответствующей требо-

ваниям к USB-устройствам.

Устройство снятия скоростных характеристик линейного асин-

хронного двигателя не выполняет специфических функций, поэтому

использовался базовый принцип подключения, приведенный в инст-

рукции по микроконтроллеру (рис. 5).

Рис. 5. Схема электрическая принципиальная устройства снятия скорост-

ных характеристик линейного асинхронного двигателя

В качестве обратной связи выбраны оптические датчики и датчи-

ки конечных положений корпорации OMRON.

Дистанционное управление осуществляется на основе глобальной

сети Интернет. Рассматривались еще два варианта дистанционного

управления линейным двигателем, такие как, во-первых, управление

по радиоканалу и, во-вторых, использование ИК-порта. Оба варианта

в настоящее время не обладают такими требованиями к способам

передачи информации как:

− передача информации на большие расстояния;

− отсутствие в прямой видимости управляемого объекта;

130

− высокая скорость передачи данных;

− отсутствие различного рода помех в информационном канале;

− сравнительно низкая цена.

Поэтому и был выбран способ передачи данных по сети Интер-

нет с помощью технологии Remote Panel. При этом на клиентской

машине должен быть установлен интернет-браузер (например,

Internet Explorer) и приложение Run-Time Engine, свободно рас-

пространяемое на сайте компании National Instruments. В этом

случае клиент получает полный доступ к опубликованному при-

ложению через окно интернет-браузера. Публикация виртуального

инструмента на веб-сервере осуществляется через Web Publishing

Tool. При этом указывается адрес интернет-страницы, на которой

будет опубликован данный виртуальный инструмент. Для доступа

к виртуальному инструменту через веб-сервер необходимо, чтобы

инструмент был открыт на машине-сервере. Захват управления

виртуальным инструментом в окне интернет-браузера осуществ-

ляется через контекстное меню.

Разработанная система позволяет управлять линейным асинхрон-

ным двигателем дистанционно по сети Интернет. Такая технология

предоставляет возможность для проведения экспериментов по изуче-

нию характеристик привода за пределами организации, где находится

это оборудование, что может быть полезно как в научных, учебных

целях, так и в производственных.

Список литературы

1. Подураев Ю. В., Кулешов В. С. Принципы построения и современные

тенденции развития мехатронных систем // Мехатроника. – 2000. – № 1. –

С. 5–10.

2. Веселовский О. Н., Коняев А. Ю., Сарапулов Ф. Н. Линейные асинхрон-

ные двигатели. – М. : Энергоатомиздат, 1981. – 256 с.

3. Гребнев В. В. Микроконтроллеры семейства AVR фирмы ATMEL. –

М. : ИП Радиософт, 2002. – 174 с.

4. AEROTECH. Linear Motor: Aplication Guide. URL: http://

www.aerotech.com/ products/PDF/LMAppGuide.pdf (дата обращения: 01.09.2009).

5. LabVIEW 7 Express. Вводный курс. – М. : ПриборКомплект, 2003.