Технические средства автоматизации систем управления гибких автоматизированных производств

 

Исходные данные.

1. Рабочий эскиз крышки подшипникового узла.

2. Геометрические параметры:

М=5х1;

Z_MW=90мм;

диаметр фрезы d_фр=210 мм;

размеры стола станка ХС=350 мм; YС=240 мм; ZС=390 мм;

значение шага интерполяции h=0,9 мм;

а также H=115мм; L=160мм; t=20мм;

l=150мм; b=50мм; d=35мм;

z1=55мм; z2=45мм; a=120

 

    Разработка робототехнического комплекса и управляющей программы процесса сверления для изготовления крышки подшипникового узла.

    Анализ эскиза показывает, что деталь имеет 3 отверстия Æ 4,2 мм и одно Æ 45 мм. Внешний контур детали имеет участок криволинейной поверхности. Чтобы изготовить деталь, нужен процесс фрезерования и процесс сверления, поэтому обработку целесообразно проводить на сверлильно-фрезерном расточном станке.

 

3.5.1 Выбор системы координат станка, детали и инструмента

Х_MF=Х_C/2=90мм

Y_MF=Y_C/2=80мм

Z_FN=Z_C=450мм

 

 

Рис 1. Выбор системы координат станка

 

XMW=XMF-l/2=175-80=95 мм

YMW=YMF-H/2+h=120-70+5=55 мм

(l=160 мм, H=140 мм, h=5 мм)

 

Рис 2. Выбор системы координат детали

 

 

 

Рис 3. Выбор системы координат инструмента

 

3.5.3. Выбор типовых переходов операций сверления

а) центрирование:

 

б) сверление 1:

 

сверление 2:

 

 

в) нарезание резьбы:

 

 

 

 

Рис 4. Выбор типовых переходов операции сверления

 

3.5.2 Составление эскиза процесса сверления

 

    На основе выбранных типовых переходов и с условием размещения заготовки на столе стоставляем эскиз технологического процесса сверления.

Значения координат опорных точек

№	Координаты опорных точек
	ХД, мм	YД, мм	ХС, мм	YС, мм	ZС, мм
1	54	25	79	35	210
2	132	70	157	80	210
3	54	115	79	125	210
4	80	70	105	80	210

 

Х_Д=80-52*sin30=54 мм

Y_Д=70-52*cos30=25 мм

3.5.3 Кодирование управляющей программы процесса сверления

% LF

N1 G60 T0101, LF

N2         F40, S500, M06, LF

N3 G59 X25, Y10, Z210, LF

N4         X54, Y25, LF

N5         G82, R2, Z-3, LF

N6         X132, Y70, LF

N7         X54, Y115, LF

N8 G80 T0202, LF

N9         F100, S1400, M06, LF

N10       X54, Y25, LF

N11 G83 R2, Z-18, LF

N12       Z-32, F80, LF

N13       X132, Y70, Z-18, F100, LF

N14       Z-32, F80, LF

N15       X54, Y115, Z-18, F100, LF

N16       Z-32, F80, LF

N17 G80 T0404, LF

N18       F60, S360, M06, LF

N19       X80, Y70, LF

N20 G81 R2, Z-35, LF

N21 G80 T0505, LF

N22       F250, S250, M06, LF

N23       X54, Y25, LF

N24 G84 R2, Z-30, LF

N25       X132, Y70, LF

N26       X54, Y115, LF

N27 G80 G59 X0, Y0 , Z0, M09, LF

N28 G00 X0, Y0, Z390, M00, LF

Последовательность переходов операции сверления

Переход	Номер отверстия	Схема рис.4	Участок траектории	S, мм/мин	n, об/мин
Центриро-вание	1,2,3	а	1-2	40	500
Сверление	1,2,3	б1	1-2, 2-3	100, 80	1400
Нарезание резьбы	1,2,3	в	1-2	25	25
Сверление	4	б2	1-2	60	360

 

 

 

 

 

 

 

 

3.6 Связь контроллера с ЭВМ верхнего уровня

(IBM PC)

 

    В автоматизированной управления асинхронным двигателем, для которой разрабатывался рассматриваемый в данном дипломном проекте модуль ввода аналоговых сигналов, связь контроллера осуществляется через последовательный канал связи. При этом используется принятый фирмой IBM интерфейс RS-232C.

 

 

3.6.1 Схема гальванической развязки приемопередатчика микроконтроллера

 

    Схема гальванической развязки приемопередатчика микроконтроллера предназначена для гальванической развязки линии связи и микроконтроллера, а также для преобразования сигнала передатчика TxD из ТТЛ-уровня в токовый параметр линии связи и сигнала поступающего из линии связи в сигнал RxD приемника ТТЛ-уровня.

    Функциональная схема гальванической развязки приемопередатчика микроконтроллера приведенная на рис. , состоит из двух частей: гальванической развязки передатчика (VT1, VT2, VT3, U2, R2, R4, R6, R7) и схемы гальванической развязки приемника (U1, D1.1, R1, R3, R5). Диод VT1 выполняет защитную функцию при неправильной полярности подключения линии связи.

    Схема гальванической развязки приемопередатчика работает следующим образом: в исходном состоянии с выхода передатчика TxD микроконтроллера подается уровень "логической единицы" (ТТЛ) на базу ключа VT3 через токоограничительный резистор R7. При этом транзистор VT3 открыт и шунтирует низким сопротивлением перехода коллектор - эмиттер светодиод оптоэлектронной пары U2. Это ведет к тому, что светодиод оптопары U2 не излучает и транзисторный ключ оптопары U2 закрыт. Из этого следует что транзисторный ключ, собранный на элементах VT1 и VT2, открыт током протекающим через резистор R2. В следствии этого линия связи будет закорочена через открытый переход коллектор - эмиттер транзистора VT1 и сравнительно низкое сопротивление R1. При этом на резисторе R1 создается падение напряжения, достаточное для открывания светодиода оптоэлектронной пары U1, что влечет за собой открытие транзисторного ключа оптопары U1. В этом случае на входе логического элемента триггера Шмитта присутствует уровень "логического нуля", а на его выходе - "логическая единица", что соответствует неактивному входному сигналу не входе RxD микроконтроллера.

    При приеме информации, что равносильно размыканию линии связи, светодиод оптопары U1 закрывается, а значит и закрывается транзисторный ключ оптопары. На входе логического элемента триггера Шмитта появляется уровень "логической единицы", а на его входе "логический ноль", что соответствует активному сигналу на входе RxD микроконтроллера.

    При передаче информации в линию связи уровень "логического нуля" на выходе TxD (что соответствует активному состоянию выхода) ключ на транзисторе VT3 закрывается, а светодиод оптопары U2 открывается вследствие протекания тока через резистор R6. Это приводит к открыванию транзисторного ключа оптопары U2 и, соответственно к закрыванию ключа на транзисторах VT1 и VT2, что соответствует разомкнутому состоянию линии связи.

    Исходя из вышеописанного принципа работы модуля гальванической развязки следует отметить, что передаваемые сигналы от контроллера в линию связи будут дублироваться на входе приемника (RxD) микроконтроллера. Это обстоятельство должно быть учтено при программной реализации протокола обмена микроконтроллера с машиной верхнего уровня.

 

 

3.6.2 Интерфейс последовательного канала связи ЭВМ

с контроллером

 

    Последовательный интерфейс обычно используется для большинства периферийных устройств, таких как плоттер, удаленный принтер, мышь, внешний модем, программатор ПЗУ и т. д. До настоящего времени для последовательной связи IBM PC-совместимых компьютеров используются адаптеры с интерфейсом RS-232C (Recommended Standart 232 Version C) (новая ревизия - EIA-232D). Описание этого интерфейса было опубликовано Американской промышленной ассоциацией еще в 1969 году. Европейским аналогом RS-232 являются два стандарта, разработанные CCITT (Comite Consultatif Internationale de Telegraphique et Telephonique) - МККТТ (Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии): V.24 (механические характеристики) и V.28 (электрические характеристики). Сегодня эта организация носит название ITU-T. Хотя первоначально RS-232 был предназначен для связи центральной машины с терминалом, его простота и богатые возможности обеспечили ему более широкое применение. В современном IBM PC-совместимом компьютере может использоваться до четырех последовательных портов, имеющих логические имена соответственно COM1, COM2, COM3 и COM4. Базовые адреса портов и соответствующие прерывания приведены в таблице

Таблица

Обозначение	Диапазон адресов	Прерывание
COM1	2F8h - 2FFh	IRQ4
COM2	3F8h - 3FFh	IRQ3
COM3	2E8h - 2Efh	IRQ10(IRQ2)
COM4	3E8h - 3Efh	IRQ11(IRQ5)

 

    Следует обратить внимание на тот факт, что использование прерываний IRQ10 и IRQ11 для последовательных портов возможно только на плате ввода-вывода для PC/AT (двойной слот). В компьютере, совместимом с PC/XT, для этой цели можно задействовать только два прерывания (IRQ4 и IRQ3) или использовать, если возможно, прерывание IRQ2 или IRQ5.

    В адресном пространстве IBM PC-совместимых компьютеров последовательный адаптер занимает восемь последовательных адресов, включая базовый. Однако через эти восемь адресов происходит обращение к 12 регистрам, которые программируются соответствующим образом (приложение ).

    По существу, сердцем последовательного адаптера является микросхема UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter - универсальный асинхронный приемопередатчик). В IBM PC и PC/XT для этой цели использовалась микросхема типа 8250. После того как в ней были обнаружены ошибки, появились ее версии с буквами A и B. Для PC/AT решено было применить микросхему 16450, которая превосходила по скорости 8250. Улучшенной версией UART 16450 стала микросхема 16550. В настоящее время обычно используется UART 16550A. Данная микросхема имеет 16-символьный буфер на прием и на передачу, и, кроме того, может использовать несколько каналов прямого доступа в память DMA (Direct Memory Access). Другая версия этой микросхемы - 16550AFN.

    Стандарт передачи и приема использует высокие уровни сигналов до +/-15 В или +/-12 В. Уровень логического нуля соответствует напряжению +12В, а логической единицы - -12 В. При передаче микросхема UART преобразует параллельный код в последовательный и передает его побитно в линию, обрамляя исходную последовательность битами старта, останова и контроля. При приеме данных UART преобразует последовательный код в параллельный (опуская служебные символы).

    Основным преимуществом последовательной передачи является возможность пересылки данных на расстояния 1000 метров. В простейшем случае для приема и передачи через последовательный порт необходимо только три сигнала : TxD (Transmit Data - Передача данных), RxD (Recevive Data - Прием данных) и GND (Ground - "Земля").

    В IBM PC-совместимых компьютерах существует два основных типа кабелей для интерфейса RS-232 : 25-сигнальный, изначально предусмотренный стандартом RS-232, и 9-сигнальный, используемый в соответствии с EIA-232D. При использовании последовательного интерфейса одно из устройств выступает как DTE (Data Terminal Equipment - Оконечное оборудование данных), а другое как DCE (Data Communication Equipment - Оборудование для передачи данных). Различие между ними состоит в направлении используемых сигналов. То есть, если сигнал для DTE является входным, то для DCE этот же сигнал будет выходным и наоборот.

 

Электрические параметры сигналов RS-232C:

Входное напряжение                          ± 3V ¸ ±15V ;

Входное сопротивление                     3kOm ¸ 7kOm ;

Входное напряжение при нагрузке

                                                             3¸7 kOm .. 7,5±2,5V.

 

 

3.6.3 Организация обмена по последовательному каналу

 

    Протокол информационного канала реализуется при помощи программного обеспечения, зашитого в ПЗУ. Информационный канал придает передаваемому сообщению определенную форму и в соответствии с этой формой упаковывает сообщение при передаче и распаковывает при приеме.

    Аналогичную задачу должно решать программное обеспечение абонента.

    Сообщение - это оформленная по определенным правилам последовательность байтов, имеющих помимо функционально законченной смысловой части также признак начала и конца сообщения.

    Для передачи данных составим протокол обмена между контроллером и ЭВМ по последовательному каналу.

 

    Обмен терминал-контроллер: посылки состоят из 5-ти байт.

 

1-й байт:

D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
1	1	X	X	X	X	X	X

 

D7-D6 - признак старт-байта;

D5-D0 - поле команды.

 

2-й и 3-й байт:

D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
0	0	X	X	X	X	X	X

 

D5-D0 - 6 битов поля данных.

 

4-й байт:

D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
0	0	X	X	X	X	X	X

 

D5-D2 - 4 младших бита старшего байта контрольной суммы (D3-D0);

D1-D0 - 2 старших бита младшего байта контрольной суммы (D7-D6).

 

5-й байт:

D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
0	0	X	X	X	X	X	X

 

D5-D0 - 6 младших битов младшего байта контрольной суммы.

 

Коды команд обмена “терминал-контроллер” помещены в таблицу

 

Включить двигатель	00H
Выключить двигатель	01H
Передать состояние 1-го и 2-го датчиков	02H
Передать состояние 3-го и 4-го датчиков	03H
Установить значение разгона (значение содержится в поле данных 2 и 3-го байта команды)	04H
Передать значение тахометра	05H

 

 

Обмен контроллер-терминал: посылки состоят из 6-ти байт.

 

1-й байт:

D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
1	1	X	X	X	X	X	X

 

D7-D6 - признак старт-байта;

D5-D0 - поле команды.

 

2-й байт:

D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
0	0	*	*	X	X	X	X

 

D5-D4 - состояние пускателей “пуск” и “стоп”;

D3-D0 - поле данных.

 

3-й и 4-й байт:

D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
0	0	X	X	X	X	X	X

 

D5-D0 - поле данных.

 

5-й и 6-й байт:

D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
0	0	X	X	X	X	X	X

 

D5-D0 - значение контрольной суммы (аналогично обмену “терминал-контроллер”).

 

Коды команд обмена “контроллер-терминал” помещены в таблицу

 

Данные 1-го и 2-го датчиков	00H
Данные 3-го и 4-го датчиков	01H
Данные разгона двигателя	02H
Данные тахометра	03H

 

Примечание: данные содержатся в упакованном виде со 2-го по 4-й байт посылки в поле данных.

    Программа обеспечивающая описанный протокол обмена приведена в приложении

 

 

3.6.4 Расчет формы сигнала в линии связи и

скорости обмена

 

    Если генератор вырабатывает фронт посылки с амплитудой [0, +Е] вольт, то кривая тока, протекающего по сопротивлению нагрузки на приемном конце, может быть определена с помощью выражения:

где I - установившееся значение тока в кабеле, А;

где bk - корни промежуточного трансцендентного уравнения;

     а - нормированная нагрузка, равная:

 - нормированное по t время;

- постоянная времени кабеля.

 

    Здесь R и С - сопротивление, Ом/км, и емкость, Ф/км одного километра кабеля, l - длина кабеля, км.

    Согласно [ ] под R_он можно понимать либо внутреннее сопротивление генератора, либо сопротивление приемника. Однако эксперимент показал, что формулу ( ) можно использовать и для более общего случая. Поэтому общей нагрузкой кабеля будем считать:

 R_он=R_o+R_н

    Из анализа расчетных кривых построенных по формуле ( следует, что они имеют вид сдвинутых по оси n экспонент с различным наклоном. Некоторое отличие от экспоненциальной формы имеет место лишь в самых нижних частях кривых.

    Поскольку при расчетах наиболее существенными являются ее средняя (определяющая наклон фронта) и верхняя (определяющая время нарастания сигнала) части, можно допустить некоторую неточность в воспроизведении нижней части кривой. Это дает возможность найти приближенное выражение для расчета тока в приемнике:

где b - множитель, учитывающий изменение наклона кривой;

    d - оператор сдвига, учитывающий смещение кривой.

    Воспользуемся формулой для b, полученной с помощью аппроксимирующей функции, в качестве которой выбрана окружность. Получим формулу:

    Аналогичным методом получим формулу для d:

    Таким образом, поставленная задача решена: получены простые выражения ( )-( ), имеющие замкнутую форму ряда. Ошибка при определении ординат кривой, лежащих в диапазоне (0.4 1.0)I, не превышает 0.015 установившегося значения амплитуды сигнала, которое определяется как:

    Если передача ведется двухполярными посылками с амплитудой на передающем конце Е, как в нашем случае, то формула ( ) запишется в виде

    Вычислим форму сигнала на приемной стороне кабеля, зная, что связь организована с помощью кабеля ТГ, который имеет следующие характеристики:

· погонное сопротивление R=190 Ом/км;

· погонную емкость С=50 нФ/км;

· протяженность l=5 км.

    Расчет формы сигнала и скорости обмена производился в Eureka версии 1.0 и приводится ниже.

 

R=190 ; Сопротивление кабеля, Ом

C=50e-9 ; Емкость кабеля, Ф

l=5 ; Длина кабеля, км

;--------------------------------

E=12 ; Выходное напряжение передатчика

Ro=5 ; Выходное сопротивление передатчика

Rn=100 ; Входное сопротивление приемника

;--------------------------------

Pr=0.95 ; Предел амплитуды на входе

; приемника

;--------------------------------

Ron=Ro+Rn; Общая нагрузка кабеля

a=Ron/R/l; Нормированная нагрузка

b=0.824-sqrt(0.461-(0.405-0.64*a)^2)

; Множитель, учитывающий изменение наклона

;кривой

d=1.932+sqrt(1.574-(1.207-2*a)^2)

; Оператор сдвига, учитывающий смещение

;кривой

I=E/(R*l+Ron) ; Установившееся значение

;амплитуды сигнала на выходе передатчика

Amp=Pr*I ; Амплитуда сигнала на входе при-

;емника

Ta=0.02915*C*R*l^2 ; Постоянная времени кабеля

P=d-ln((I-Amp)/I)/b ; Нормированная дли-

;тельность посылки

Tc=P*Ta ; Длительность посылки

V=1/Tc ; Скорость обмена по линии связи

i(t)=I*(1-exp(-b*(t/Ta-d))) ;

 

    Результаты расчета:

 

Variables  Values

 

a     =    .11052632

Amp   = .010805687

b     = .23301088

C     = 5.0000000e-08

d     = 2.7078272

E     = 12.000000

I     = .011374408

l     = 5.0000000

P     = 15.564447

Pr    = .95000000

R     = 190.00000

Rn    = 100.00000

Ro    = 5.0000000

Ron   = 105.00000

Ta    = 6.9231250e-06

c     = .00010775461

V     = 9280.3453

 

    Скорость модуляции  Бод, что удовлетворяет условиям эксплуатации проектируемого устройства.

    Вид сигнала на стороне приема изображен на рисунке