Конюх В.Л. Компьютерная автоматизация производства

Подождите немного. Документ загружается.

– зоной обслуживания – частью рабочей зоны, в которой механи-

ческий элемент выполняет технологические операции.

При управлении механическим элементом различают прямую и

обратную задачи кинематики. В прямой задаче задают взаимные пере-

мещения в соединениях звеньев механического элемента, для которых

рассчитывают положение, скорость и ускорение рабочего органа.

Цель расчета – определение геометрических характеристик рабочей

зоны механического элемента при конструктивных ограничениях на

изменения координат звеньев, оценка погрешности позиционирования

и отработки траектории при заданных погрешностях перемещений

звеньев. В обратной задаче задают положение, скорость и ускорение

рабочего органа, а затем рассчитывают перемещения в соединениях

звеньев механического элемента.

Обратная задача встречается в мехатронике чаще, поскольку на

практике сначала определяют положение рабочего органа, а затем на-

ходят взаимные перемещения звеньев для вывода рабочего органа в

заданное положение. Сложность прямой и обратной задач кинематики

состоит в привязке системы координат каждого соединения звеньев к

общей системе координат и расчете динамики движения звеньев с уче-

том переменных нагрузок, сил инерции и трения. Решение прямой и

обратной задач кинематики в режиме реального времени с целью фор-

мирования команд управления приводами звеньев часто невозможно

из-за большой размерности системы дифференциальных уравнений.

Для перемещения механических звеньев используют пневматиче-

ские, гидравлические или электрические приводы. При цикловом

управлении перемещениями элементов используют пневмопривод,

отличающийся простотой и надежностью, высоким быстродействием,

точным позиционированием по механическим упорам в конце движе-

ния, возможностью работы в агрессивных средах, дешевизной. Его

недостатки: зависимость скорости перемещения от нагрузки вследст-

вие сжимаемости воздуха, невозможность остановки в промежуточных

точках позиционирования, удары звена об упор в конце перемещения,

шум при работе.

При позиционном управлении применяют гидропривод дрос-

сельного или объемного управления. Его достоинства: высокое быст-

родействие при малой инерционности; стабильность скорости при

изменении нагрузки благодаря несжимаемости рабочей жидкости;

бесступенчатое регулирование скорости; высокий коэффициент усиле-

ния мощности; малая масса гидродвигателей. Недостатками гидро-

привода являются сложность расчета, утечки рабочей жидкости в уп-

лотнениях, зависимость скорости от температуры жидкости.

Для контурного управления удобен электропривод, который вы-

тесняет пневмо- и гидропривод. Электропривод имеет малые габариты,

хорошую управляемость и высокую точность отработки траектории.

В мехатронике обычно применяют легкоуправляемые электродвигате-

ли постоянного тока, состоящие из ротора и статора. На статоре име-

ются постоянные магниты или обмотка электромагнитного возбужде-

ния. Обмотка возбуждения на статоре может не соединяться с обмот-

кой ротора (двигатель независимого возбуждения), соединяться после-

довательно с обмоткой ротора (двигатель последовательного возбуж-

дения) или соединяться параллельно-последовательно с обмоткой ро-

тора (двигатель смешанного возбуждения).

Электродвигатели переменного тока подразделяются на асин-

хронные и синхронные. Асинхронные двигатели бывают двух- и трех-

фазными. Скорость двухфазного двигателя регулируется напряжением в

обмотке управления, смещенной на 90 град относительно обмотки воз-

буждения. Скорость синхронного двигателя зависит от частоты на-

пряжения питания.

Недостаток электродвигателей – высокая скорость, требующая

преобразования в медленные перемещения механических звеньев. В ка-

честве устройств снижения скорости применяют шестеренчатые, чер-

вячные или волновые редукторы. Шестеренчатые и червячные редук-

торы недостаточно снижают скорость и имеют большие потери мощ-

ности. Для устройств мехатроники с электроприводом изобретен вол-

новой редуктор, состоящий из генератора волн эллиптического сече-

ния и гибкого зубчатого колеса, кото-

рые устанавливаются внутри жесткого

зубчатого колеса (рис. 3.7).

Гибкое колесо, будучи связанным с

генератором волн, принимает форму

эллипса. Поэтому его зубцы полностью

входят во впадины между зубцами же-

сткого колеса в двух точках по главной

оси эллипса. Оно имеет на несколько

зубцов меньше, чем жесткое колесо.

Через каждый оборот генератора гиб-

кое колесо поворачивает жесткое ко-

лесо на эти несколько зубцов. Если ге-

Рис. 3.7.

Устройство

волнового редуктора

Генератор волн

Гибкое колесо

Жесткое колесо

нератор волн соединить с входным валом, а жесткое колесо – с выход-

ным, то обеспечивается очень высокое передаточное отношение. По

степени управляемости различают приводы:

– нерегулируемые, обеспечивающие движение элемента с одной

рабочей скоростью;

– регулируемые, обеспечивающие заданную скорость движения

элемента в изменяющейся среде;

– следящие, обеспечивающие перемещение элемента с заданной

точностью при произвольном задающем сигнале;

– адаптивные, автоматически выбирающие оптимальные пара-

метры управления при изменении условий работы.

Для уменьшения габаритов электродвигателя его расчетную мощ-

ность

(

)

ПВ

N KMn= (3.1)

выбирают с учетом относительной продолжительности включения:

ПВ

t t

, (3.2)

где М – крутящий момент; n – частота вращения; K – коэффициент

потерь в передачах; t

– время работы; t

= t

+ t

– время цикла; t

–

время отключения.

Шаговые двигатели весьма перспективны в мехатронике. На рото-

ре двигателя закреплен постоянный магнит, взаимодействующий

с большим числом обмоток электромагнитов на статоре. Бесконтакт-

ное переключение комбинации обмоток статора приводит к повороту

его магнитодвижущей силы на определенный угол. На такой же

угол поворачивается ротор. Положение ротора соответствует комби-

нации включенных обмоток.

3.2. ПРОГРАММОНОСИТЕЛИ

Переход от жесткой к программируемой логике управления объ-

ектом принципиально изменил устройства автоматики. Вместо устрой-

ства управления, изготавливаемого под определенный объект автома-

тизации, стали применять универсальное устройство управления

с программоносителем. Приспособление устройства к управлению

объектом осуществляют путем записи соответствующего алгоритма уп-

равления в программоноситель.

Первыми программоносителями были кулачковые командоаппа-

раты, представляющие собой набор дисков с кулачками, укрепленных

на общей оси (рис. 3.8, а). При повороте оси кулачки входили в зону

чувствительности датчиков положения, которые переключали испол-

нительные устройства объекта. Для изменения программы менялся

угол поворота диска относительно оси. Затем появились перфокарты

(рис. 3.8, б), которые перемещались между источниками и приемника-

ми света.

При попадании на фотоприемники света через отверстия в перфо-

карте, пробитые согласно программе управления, формировались ко-

манды переключения исполнительных устройств. Одновременно раз-

вивались перфоленты, имеющие меньшие габариты и более высокую

емкость (рис. 3.8, в).

Следующим шагом стали диодные матрицы. Их программирова-

ние сводится к установке диодов на пересечениях горизонтальной и

вертикальной шин там, где нужно записать логическую «1» (рис. 3.8, г).

Горизонтальные шины соответствуют адресу слова, а вертикальные –

кодовой комбинации слова по данному адресу. Число горизонтальных

шин равно числу разрядов адреса, а число вертикальных шин – числу

разрядов слова. Программоноситель на ферритовых кольцах использу-

ет свойство феррита переходить из одного состояния насыщения в

другое и сохранять его после отключения питания (рис. 3.8, д). Через

кольца пропускают провода вертикальной и горизонтальной шин. Ин-

формация записывается путем подачи напряжения на провода по вер-

тикали и по горизонтали. Кольцо переходит в состояние насыщения,

которое распознается при управлении объектом. Аналогичный прин-

цип использовался в магнитных лентах.

Появление микросхем привело к созданию мультиплексора – про-

граммируемого коммутатора каналов с несколькими входами и одним

выходом (рис. 3.8, е). Сигналы датчиков подавали на входы A и B. Ал-

горитм управления задавали настроечным соединением входов муль-

типлексора, соответствующих тем номерам строк автоматной таблицы,

для которых выход Y принимал значения «1» и «0».

Последним типом программоносителя, размеры которого зависели

от объема программы управления, стала программируемая логическая

матрица – ПЛМ (рис. 3.8, ж). Она состоит из матриц И и ИЛИ. В мат-

рицу И вводят диодные перемычки, формирующие набор состояний

входных переменных A, B. В матрице ИЛИ перемычки ставят там, где

выходная переменная Y принимает единичное значение.

С появлением перепрограммируемых запоминающих устройств с

электрической записью и электрическим или ультрафиолетовым сти-

ранием информации (ППЗУ) начался нынешний этап развития про-

граммоносителей. Сначала набор состояний датчиков определял код

адреса в ППЗУ, по которому записывали код команд на исполнитель-

ные устройства (рис. 3.8, з). Затем такие программоносители стали

применять в программируемых контроллерах с микропроцессорной

организацией взаимодействия состояний датчиков и выходных команд.

В последнее время развиваются программоносители в виде быст-

росменных флэш-дисков. Флэш-диск используют для долговременного

хранения сотен мегабайт информации. Он представляет собой электри-

а б

00 1010 10 0100

01 1100 11 0001

в г

Y =

д е

«ИЛИ»

«И»

Датчики

Код адреса

Код слова

Команды

ж з

Рис. 3.8. Виды программоносителей:

а – кулачковые командоаппараты; б – перфокарты; в – перфоленты;

г – диодные матрицы; д – матрица на ферритовых кольцах;

е – мультиплексор; ж – программируемая логическая матрица;

з – перепрограммируемое запоминающее устройство

чески стираемое перепрограммируемое устройство на микросхеме

памяти по технологии Flash (фирмы «Интел»). В отличие от обычных

микросхем памяти число циклов стирания и записи превышает 1 млн

Флэш-диск отличается от винчестера отсутствием подвижных частей,

невосприимчивостью к ударам и вибрациям, устойчивой работой при

изменении температуры от –40 до +85 °С, средним временем наработки

на отказ более 100 лет. Флэш-диск весит несколько граммов, бесшумен

и в режимах чтения/записи потребляет мощность до 200 мВт. Скорость

записи и считывания составляет 1–5 Мбайт/с. Флэш-диски, которые

выполнены в виде печатных плат и могут устанавливаться в слоты

материнской платы компьютера, называют фиксированными. На них

часто реализуют устройства памяти компьютеров повышенной надеж-

ности с высокой скоростью загрузки. Некоторые флэш-диски разме-

щают в корпусах для микросхем ПЗУ и ставят в гнезда материнской

платы. Флэш-диски, которые применяют для хранения и переноса ин-

формации в мобильных устройствах, называют сменными. Они вы-

полнены в виде карточек толщиной от 1,5 до 10 мм, которые могут ус-

танавливаться в разъем без отключения напряжения.

Первые флэш-диски применяли для замены микросхем памяти. По

мере роста скорости обмена информацией их начинают применять как

встроенные контроллеры бытовых устройств и заменители жестких

дисков в персональных компьютерах.

Высокая надежность и низкая стоимость флэш-дисков позволяют

использовать их в качестве программоносителей емкостью до десятков

мегабайт внутри кассовых аппаратов, мобильных компьютеров, стан-

ков с ЧПУ, цифровых фотоаппаратов, радиотелефонов. Например, на

флэш-диске емкостью 2 Мбайт для сотового телефона может быть за-

писан телефонный справочник большого города или 30 мин разговора.

3.3. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ

Программируемый контроллер представляет собой микропроцес-

сорное управляющее устройство, входы которого связаны с датчиками,

а выходы – с исполнительными устройствами объекта управления.

Контроллер изготавливают универсальным и приспосабливают к уп-

равлению конкретным объектом управления путем записи и хранения

алгоритма управления в запоминающем устройстве. Сначала програм-

мируемые контроллеры создавали для замены громоздких и ненадеж-

ных релейно-контактных систем управления. Первый программируе-

мый контроллер установили в 1969 году на автоматизированном кон-

вейере автозавода в США. Его назвали «Модикон» (Modular Digital

Controller – модульный цифровой контроллер). Необходимо было бы-

стро перестраивать линию на выпуск разных моделей автомобилей и

часто совершенствовать технологический процесс. Перестройка имею-

щейся релейно-контактной аппаратуры была долгой и дорогой. Требо-

вания устойчивости к промышленной среде, доступности обслужива-

ния промышленным персоналом и низкой стоимости, множество раз-

нообразных входов и выходов не позволяли применять для управления

существовавшие ЭВМ.

Как и персональный компьютер, программируемый контроллер

содержит микропроцессор, оперативное и постоянное запоминающие

устройства, предназначенные для обработки информации по заданной

программе. Он встраивается в объект управления и не имеет монитора,

клавиатуры, устройств для чтения информации с дисков. Имеются и

другие отличия контроллера от персонального компьютера (табл. 3.2).

Т а б л и ц а 3.2

Характеристики программируемого контроллера и

персонального компьютера

Свойство

Контроллер

Компьютер

Выполняемая

задача

Обработка сиг-

налов дат-

чиков и в

ыдача

команд

Последователь-

ность

вычислений

Время решения

Ограничено д

и-

намикой

объекта управ-

ления

Не ограничено

Выполнение про-

граммы

Многократное Однократное

Программирова-

ние

По особенн

о-

стям управ-

ления объектом

По особенно-

стям

решаемой зада-

чи

Язык програм-

мирования

Созданный сп

е-

циально

для данного

контроллера

Универсальный

Подключение

К объекту

управления

К питающей сети

Ввод программы

От временно

присоединяемого

устройства

От встроенного

устройства

Результаты ра-

боты

Не выводятся Выводятся на

монитор

Время цикла

Меньше пери

о-

да изменения си-

туации

Не огра-

ничено

Подключаемые

уст-

ройства

Датчики и и

с-

полнительные уст-

ройства

Монитор, прин-

тер, клавиатура

Эти отличия вытекают из того, что программируемый контрол-

лер предназначен для управления промышленным объектом в реаль-

ном времени. Поэтому он должен иметь развитые устройства преобра-

зования входных и выходных сигналов, доступное технологу програм-

мирование, удобство диагностики и контроля, повышенную надеж-

ность. Программируемый контроллер может быть трех типов:

– логический контроллер для замены релейно-контактной логики

при управлении дискретными процессами;

– регулирующий контроллер для управления непрерывными про-

цессами;

– универсальный контроллер для дискретных и непрерывных про-

цессов.

Первые два типа со временем объединились в третий, имеющий

как логические, так и аналоговые входы и выходы для управления дис-

кретными и непрерывными процессами. Программируемый контрол-

лер содержит модули входных (Вход) и выходных (Выход) сигналов,

центральный процессор, оперативное ОЗУ и перепрограммируемое

постоянное запоминающие устройства (рис. 3.9).

Исполнительные

устройства

Объект

управления

Датчики

Вход

Центральный

процессор

Выход

ППЗУ

ОЗУ

Тактовый

генератор

Программируемый

контро ллер

Программатор

Рис. 3.9. Структура программируемого контроллера

Работа внутренних устройств синхронизируется тактовым генера-

тором. Программу управления записывают в ППЗУ с помощью про-

грамматора, в качестве которого можно применять либо персональный

компьютер со специальным программным обеспечением, либо специа-

лизированное устройство с дисплеем. Программа сообщает процес-

сору, какие операции, когда и с какими сигналами он должен выпол-

нять. Команда управления процессором содержит код операции и ад-

рес операнда. Код операции указывает, что надо делать. Адрес опе-

ранда показывает, с чем надо выполнить операцию. Например, логиче-

ская функция

1 2 3

y u u u

= +

(3.2)

реализуется в виде программы из четырех команд (табл. 3.3) .

Т а б л и ц а 3.3

Команды программируемого контроллера

дрес

Команда

Комментарий

код

опера-

ции

адрес

опе-

ранда

Загру-

зить

Переслать содержимое

ячейки памяти

с адресом U

в аккумулятор А

1 И U

Выполнить операцию И с со-

держимым ячейки U

и аккумуля-

тора А; результат

поместить в А

2 ИЛИ U

Выполнить операцию ИЛИ с

содержи-

мым ячейки U

и А; резуль-

тат помес-

тить в А

По-

местить

Переслать содержимое А в

ячейку с ад-

ресом Y

, где в итоге должно

быть Y

В отличие от релейно-контактных систем с параллельной обра-

боткой входной информации контроллер опрашивает входы последо-

вательно, а затем формирует на выходе команды управления объек-

том. Однако цикл последовательного опроса осуществляется во много

раз быстрее изменений в объекте управления. Около половины стои-

мости контроллера приходится на устройства входа и выхода. Один и

тот же контроллер может применяться для сотен разных датчиков и

исполнительных устройств. Для их подключения к контроллеру при-

соединяют разнообразные модули преобразования разных сигналов во

внутренние сигналы контроллера.

В большинстве приложений число сигналов о состоянии объекта

намного превышает число физических входов контроллера. Поэтому

прибегают к поочередному подключению сигналов к одному входу