КУ ШЭП

Компьютерное управление шаговыми приводами
1.1Шаговые двигатели ЩД5Д1М

Линейный шаговый двигатель
Общие сведения и методические указания
В промышленности находят применение различные виды автоматизированного технологического оборудования с ЧПУ, отличающиеся числом рабочих позиций, видом агрегатирования, технологическим назначением, системами управления и др. Примером может служить автоматизированное сборочное оборудование с ЧПУ для производства радиоэлектронной аппаратуры.
Одной из наиболее трудоемких и ответственных является операция монтажа элементов радиоэлектроники и интегральных схем на печатную плату. Для автоматизации этой операции применяют два вида оборудования: позиционного типа и поточного в виде автоматической или автоматизированной линии.
Конструкции монтажных автоматов разнообразны и зависят от вида устанавливаемых интегральных схем: со штырьковыми или планарными выводами, или элементов радиоэлектроники.
Применяемые на производстве монтажные автоматы с ЧПУ предназначены в основном для установки интегральных электронных компонентов определенного типа.
В последнее время в отечественной и зарубежной практике появился новый образец сборочного оборудования – сборочный центр, позволяющий устанавливать на плату разнообразные компоненты. Сборочные центры можно различать по количеству и типу используемых загрузочных устройств для электронных компонентов; по количеству манипуляторов, количеству и типу применяемых силовых головок (установочные, подгибочные, отрезные); типу транспортного устройства для подачи базовой детали.
Перспективными являются робототехнические линии пайки-отмывки, где загрузка и выгрузка осуществляются манипуляторами роботов.
Особенностью любого сборочного производства является точное позиционирование. В данной работе применен электрический шаговый привод, который является простейшим вариантом разомкнутого привода (без обратной связи).
Достоинствами его являются простота конструкции, отсутствие каналов обратной связи и средств измерения положения и скорости РО, удобство связи с устройством задания программы. Программа движения в ЧПУ задается в виде последовательности импульсов, и для управления шаговым приводом тоже требуется сигнал в виде последовательности импульсов, поэтому сопряжение привода с задатчиком программы носит естественный характер (без промежуточных преобразователей). Из недостатков шагового привода следует отметить: существенное ограничение по скорости; необходимость плавного разгона двигателя при выходе на режим ускоренных перемещений и плавного торможения при возвращении в нормальный режим (плавный разгон и торможение необходимы во избежание пропуска шаговым двигателем импульсов, так как сбой его работы носит необратимый характер).
В рассматриваемом автомате сборки печатных плат [1]) применен плоский шаговый двигатель, особенностью которого является двухкоординатное перемещение в плоскости, а не вращение. Назначение - перемещение манипулятора с микросхемой и паяльной головой в заданную позицию на плоскости.

Технические характеристики
Число степеней подвижности манипулятора 3
Максимальная абсолютная погрешность
позиционирования, мм 0,04
Максимальное перемещение, мм
по оси X 550
по оси Y 300
Максимальная скорость по Х,Y, м/с 0,6
Максимальное ускорение, м/с2 2,5
Число программируемых точек по Х,Y 2046
Число одновременно управляемых координат 2
Потребляемая мощность – не более, Вт 2000
Средняя наработка на отказ – не более, ч 1000
Дискретность перемещения по Х,Y, мм 0,01
Грузоподъемность при скорости 0,2 м/с – не менее, кг 8.
13 EMBED KompasFRWFile 1415
Рис.1. Состав автомата АСП-902
Управление цикловой автоматикой, т.е. включением-выклю-чением электропневмоклапанов, и управление перемещением линейного шагового двигателя производится с пульта оператора устройства ЧПУ.
В состав блока связи входят 4 модуля выходных усилителей, 3 модуля входных усилителей. Модули выходных усилителей предназначены для усиления сигналов технологических команд. Модули входных усилителей предназначены для усиления сигналов с герконовых датчиков конечных положений исполнительных механизмов. Блок управления линейным шаговым двигателем усиливает и преобразует выходные сигналы с ЭВМ в систему синусоидально модулированных ступенчатых напряжений, обеспечивающих движение индуктора.
Сигналы управления – это сигналы, реализующие технологические команды. Все они реализованы в проектной схеме УСО и отображены в таблице.

Номер
команды
Назначение (включено или отключено)

1
Опускание захвата микросхем

2
Подъем захвата микросхем

3
Поворот схвата справа-налево

4
Поворот схвата слева-направо

5
Опускание паяльников

6
Подъем паяльников

7
Выключение воздушной подушки над индуктором

8
Движение индуктора по + X

9
Движение индуктора по – X

10
Движение индуктора по + Y

11
Движение индуктора по – Y

12
Включение пайки

13
Выключение пайки

14
Включение (выключение) обдува пайки

15
Включение (выключение) транспортера

16
Реверс транспортера



Устройство и принцип работы линейного шагового двигателя
Рассмотрим принцип построения линейного шагового двигателя. К линейному двигателю можно перейти, если представить обычный шаговый двигатель как обращенную машину с заторможенным ротором вокруг, которого может вращаться подвижный «статор» при коммутации его обмоток. Если разрезать такой обращенный двигатель и развернуть его в линейную конструкцию, то ротор превратится в линейку с зубцами, вдоль которой будет шагать плоский «статор» - индуктор при каждой коммутации его обмоток. Поскольку геометрические расположения зубцов индуктора и линейки аналогично их расположению в обращенном двигателе, принцип работы не нарушится. Размер индуктора будет соответствовать развернутому статору, а размеры линейки можно не отграничивать. После перемещения на одно зубцовое деление положение индуктора на линейке будет повторяться (краевые эффекты на месте разреза статора оставляем без внимания).
Шаговый двигатель автомата сборки плат представляет собой плоский двухкоординатный развернутый двигатель как два линейных индуктора, перемещающихся по поверхности плиты, изготовленной из малоуглеродистой стали (рис.4). На плите нанесены две перпендикулярная зубцовые нарезки с шагом (периодом) 1,28 мм. Пазы зубцов заполнены эпоксидным компаундом, плита отшлифована. Оба индуктора представляют единую конструкцию, перемещающуюся во взаимно перпендикулярных направлениях, по координатам X,Y. На корпусе индуктора (рис.3) закреплены модули однократного перемещения: одна пара модулей обеспечивает движение индуктора относительно оси X, а вторая – относительно оси Y прямоугольной системы координат.
Для снижения трения между индуктором и плитой в зазор между ними нагнетается воздух для создания воздушной подушки. Кроме того в рассматриваемой конструкции индуктор располагается под плитой и удерживается в соприкосновении с ней с помощью магнитного притяжения и напоминает муху, перемещающуюся на потолке.


Рис. 3. Индуктор:
1 – корпус индуктора; 2 – модуль однократного перемещения

13 EMBED KompasFRWFile 1415
Рис.4. Плита:
1 – плита, 2 – эпоксидный компаунд

Модуль однократного перемещения представляет собой группу постоянных магнитов, собранных пакетами, на которых намотаны обмотки, объединенные корпусом с установленными на нем жиклерами (рис. 5).
На рабочей поверхности пакетов нанесена продольная зубцовая нарезка с шагом 1,28 мм, пазы которой заполнены эпоксидным компаундом. Сжатый воздух, поступающий через калиброванные отверстия жиклеров, обеспечивает воздушный зазор между плитой и рабочей поверхностью корпуса модуля однократного перемещения.
13 EMBED KompasFRWFile 1415
Рис.5. Модуль однократного перемещения:
1 – комплектный пакет; 2 – постоянный магнит; 3 – обмотки;
4 – жиклеры; 5 – корпус; 6 – плита

Перемещение индуктора по плите происходит в результате изменения токов в электромагнитах. Схема линейного шагового двигателя по одной координате приведена на рис.6.



Рис.6. Схема линейного шагового двигателя

Зубцы полюса 2 смещены относительно зубцов полюса 1 на одну четверть зубцового деления плиты (1/4 Т), относительно полюса 3 – на 1/4 и полюса 4 – на 3/4 Т, где Т – период нарезки плиты.
При возбуждении катушки А без возбуждения катушки В через полюс 2 проходит максимальный магнитный поток, так как направления потоков постоянного магнита и катушки в нем совпадают. Через полюс 1 проходят встречные магнитные потоки, суммарный поток равен нулю. Поэтому индуктор установлен так, что зубцы полюса 2 устанавливаются напротив зубцов плиты (максимум магнитной проводимости).
При возбуждении только катушки В максимальный магнитный поток проходит полюс 3, его зубцы устанавливаются напротив зубцов плиты, при этом индуктор перемещается на четверть шага. При реверсировании тока в катушке А и отсутствии тока в катушке В зубцы полюса 1 устанавливаются напротив зубцов плиты, индуктор перемещается на четверть шага. При реверсировании тока в катушке В и отсутствии тока в катушке А индуктор перемещается снова на четверть шага.
При питании катушек подачей постоянного тока в указанной последовательности линейный шаговый двигатель работает как обычный шаговый двигатель в полношаговом режиме, идет поступательное перемещение индуктора с шагом, равным четверти периода нарезки зуба при каждой коммутации обмоток.








Рис. Векторная диаграмма полношагового режима

Вектор магнитного поля каждый раз смещается на четверть
нарезки, т.е. на 1,28/4=0,32мм. Это полношаговый режим двигателя, его векторная диаграмма представлена на рис. В целях обеспечения максимальной линейности, позиционной точности, а также большей тяговой силы в линейном развернутом шаговом двигателе двухфазные элементы объединены в индукторе, образуя четырехфазную систему. Двухфазные элементы закреплены в корпусе модуля линейного однокоординатного со смещением, эквивалентном фазовому сдвигу в 45є. Фазовые соотношения катушек (А, В) и (С, D) в виде векторной диаграммы изображены на рис.7.








Рис.7. Векторная диаграмма соотношения фаз индуктора
При импульсном и раздельном питании обмоток A,B,C,D величина перемещения составит 1,28мм/8 = 0.16мм (полношаговый режим), а при коммутации по циклу включения одной и двух обмоток A, AC. C, CB, B и т. д. дискретное перемещении индуктора составит 1,28/16= 0.08мм. При подаче синусоидального тока на катушку А и косинусоидального тока на катушку В, линейный шаговый двигатель работает как двухфазный синхронный двигатель, вектор магнитного поля которого перемещается с частотой питания обмоток и обеспечивает непрерывное перемещение индуктора по плите.
Для создания режима дискретного перемещения и обеспечения режима позиционирования с дискретностью в 0,01мм питание на каждую катушку двигателя подается в виде ступенчатых синусоидальных волн. Так как период нарезки зубцов составляет 1,28 мм, то для обеспечения дискретности перемещения индуктора на 0,01 мм период синусоидального тока делится на 128 частей. Такой режим питания обмоток обеспечивает векторную диаграмму, состоящую из 128 векторов в фазном пространстве 360 эл. град. При смещении вектора на 128 периода индуктор перемещается на 1/128 зубцового деления, т.е. на 1,28мм/128=0,01мм. Такой дискретный режим формирования поля статора носит название дробления шага. Вектор магнитного поля на каждый импульс системы управления перемещается на 360/128 =180/64=90/36 =2,5 эл. град. Амплитуды питающих обмотки токов должны формироваться по законам синуса и косинуса, фазы которых формируются ступенчато с шагом в 2.5 градуса. Набор таких синусно-косинусных значений формируется с помощью запоминающих устройств по 128 значений адреса (0.127), которые сканируются периодически с помощью двоичных счетчиков с частотой поступающих импульсов. Число этих импульсов определит величину перемещения индуктора, а частота - скорость перемещения.

Блок управления линейным шаговым двигателем
Блок управления линейным шаговым двигателем (БУЛШД) обеспечивает питание и управление двигателем. БУЛШД получает импульсы перемещения от управляющей IBM PC. Цифроаналоговые решающие устройства преобразуют эти импульсы в ступенчатые формы с синусоидальными и косинусоидальными амплитудами. Усилители мощности принимают сигналы управления с цифро-аналоговых преобразователей, усиливают по мощности и подают на катушки индуктора. Обратная связь в усилителях мощности обеспечивает в катушках индуктора ток, пропорциональный входному напряжению. Для каждой фазы индуктора имеется усилитель мощности.
В блоке управления шаговым двигателем используются 2 платы ЦАП – для двух координат, 4 платы усилителя мощности – управляющие восьмью фазами шагового двигателя.
Структурная схема БУЛШД для управления одной координатой представлена на рис.8.

13 EMBED KompasFRWFile 1415
Рис.8. Структурная схема блока управления линейного ШД

Принципиальная схема ЦАП представлена на рис.9.
В АСП-902 используется 2 платы ЦАП. При подаче частоты на вход 2 микросхемы D1 на выходе триггера, выполненного на микросхеме D4, формируется сигнал, разрешающий дальнейшее прохождение частоты на суммирующие входы счетчиков D10, D11, при этом счет осуществляется от 0 до 127, за счет сброса счетчиков по R-входу.
С выхода триггера D9 и счетчиков D10 и D11 сигнал в виде двоичного кода поступает на информационные входы ППЗУ, выполненные на микросхемах серии КР556РТ4 (D17-D24), запрограммированных для каждой фазы двигателя. С выхода ППЗУ для каждой фазы двигателя код в виде 8-разрядного слова поступает на цифроаналоговый преобразователь, выполненный на микросхеме серии К 572 ПА1А. С помощью старшего разряда, поступающего с ППЗУ на транзисторный ключ, выполненный на элементах Т3, Д33, происходит формирование отрицательной части синусоиды.
Выходной сигнал цифроаналогового преобразователя усиливается с помощью масштабного усилителя D29 для фазы двигателя А. При этом осуществляется движение индуктора в определенную сторону.
При подаче частоты на вход 5 микросхемы D1 на выходе триггера, выполненного на микросхеме D4, формируется сигнал, разрешающий прохождение частоты на вычитающие входы счетчиков D10, D11,при этом счет осуществляется в обратном порядке от 127 до 0 за счет подачи короткого импульса по старшему разряду счетчика D11 на входы счетчиков D10, D11. При этом осуществляется смена направления движения индуктора.
Смену направления движения индуктора можно осуществить за счет подачи сигнала 0 или 1 с программного устройства на вход А12 платы ЦАП. Для этого необходимо убрать перемычки между клеммами XS1 и XS3, XS2 и XS5 и установить перемычки между клеммами XS3 и XS4, XS5 и XS6.
Принципиальная схема усилителя мощности (УМ) представлена на рис.10.

13 EMBED KompasFRWFile 1415
Рис.10. Принципиальная схема усилителя мощности

Усилитель мощности представляет собой управляемый источник тока, который по сигналам с цифроаналогового преобразователя подает в обмотки индуктора ток от 1,5 до 3,0 А, в зависимости от исполнения усилителя.
Конструктивно на одной плате усилителя мощности размещены два каскада, предназначенных для двух фаз линейного двигателя. Сигнал управления подается на контакты А1 усилителя. Входы Б1 используются для сигналов торможения, т.е. для сигналов устранения колебаний с демпфера ( в АСП-902 не используется).
В качестве входного каскада в усилителе используются транзисторы КТ815Г и КТ814Г. Выходными транзисторами служат КТ808А, на которых выделяется значительная мощность, поэтому они закреплены на радиаторы, для каждого выходного транзистора свой радиатор.
Для устранения возбуждений в схеме усилителя имеются корректирующие цепи С2 и С3. Цепи С1, С4, R17 используются для создания форсирующего режима на каждый импульс, поступающий с программного устройства. Также для питания микросхем 155- и 556-й серий в БЛУШД имеется плата стабилизатора на 5В и 5А. Второй стабилизатор предназначен для питания аналоговых схем и настраивается на напряжение +15 и -15В.
Для формирования нестабилизированных переменных напряжений, амплитудой 8,4 и 14,5В, применена силовая панель. Силовая панель питает усилители мощности и индуктор ШД.

Плата дискретного ввода-вывода
Для ручного управления и работ в отладочном режиме задач предусмотрен пульт ручного управления (рис.11).
Для этого используются регистры LPT-порта: 378h для вывода 378h сигналов на автомат и регистр 379h для ввода сигналов с пульта в ЭВМ. Сигналы с регистра 378h через инвертор D1 управляют светодиодами оптопар D2-D7. Оптопара открыта тогда, когда на инверторе «0», а на выходе 378h регистра «1». Причем на коллекторе транзисторов оптопар D6 и D7 нет резисторов, это объясняется тем, что коммутируется данными транзисторами не 5, а 15В, непосредственно с блока связи. Для наглядности все выходы снабжены индикацией, т.е. светодиодами. Входы тоже представляют собой оптопары D8 - D12. Выходы данных оптопар подключены к регистру 379h. На входе оптопары имеется кнопка для имитации пульта ручного управления. Число выходных оптопар равно 6, а входных – 5, таким образом, данная схема решает ряд необходимых задач, конструктивно размещена в корпусе из фольгированного текстолита. Вид УСО в корпусе показан на рис.12.

Рис.11. Устройство дискретного ввода-вывода
(пульт управления)


Рис.12.Внешний вид пульта управления:
1–технологический разъем на АСП-902, 2–клавиши ручного управления,
3–корпус устройства, 4–LPT-разъем, 5–светодиоды индикации
Структура программного обеспечения автомата
Система числового программного управления автоматом обеспечивает управление в режимах:
- ручном от пульта управления;
- ручном от клавиатуры;
- отработки одиночного кадра управляющей программы;
- полуавтоматическом;
- автоматическом: отработка управляющей программы, введенной в виде файла с клавиатуры или с жесткого диска.
Перечисленные режимы представлены в виде меню операторского интерфейса.
Состав программного обеспечения автомата представлен в блок-схемах рис.13-17.
13 EMBED KompasFRWFile 1415
Рис.13. Блок-схема алгоритма ручного управления
13 EMBED KompasFRWFile 1415
Рис. 14. Блок-схема алгоритма покадрового управления


13 EMBED KompasFRWFile 1415
Рис.15. Блок-схема алгоритма полуавтоматического управления
13 EMBED KompasFRWFile 1415
Рис.16. Блок-схема алгоритма автоматического управления


13 EMBED KompasFRWFile 1415
Рис.17. Блок-схема алгоритма тестового режима
Отладочная управляющая программа на языке ISO
Для проверки функционирования устройства предусмотрена отладочная управляющая программа для отработки траектории (рис.18), содержащая в своем составе режимы формообразования с использованием линейной и круговой интерполяции.
N1G2X2000Y-2000I0J-2000T1F100
N2X-2000Y-2000I-2000J0
N3X-2000Y+2000I0J-2000
N4X+2000Y+2000I2000J0
N5G1X2000
N6Y2000
N7X-10000
N8Y-2000
N9X+2000
N10G3X-2000Y-2000I0J-2000
N11X+2000Y-2000I2000J0
N12X
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·На рис.18 приведен вид отработки программы.
13 EMBED KompasFRWFile 1415
Рис.18. Траекторная задача тестовой программы

Проверка функционирования СЧПУ предусматривает:
1. Режим ручного управления от пульта: индуктор перемещается по координатам Х, Y по кнопкам пульта.
2. В режиме ручного управления обеспечивается раздельное или совместное перемещение индуктора по координатам Х, Y от клавиш-стрелок, управление опусканием/подъемом пера при последовательном нажатии клавиши «Рgup», «Pdwn». Останов движения осуществляется одновременно по всем координатам клавишей «Пробел». При этом на экране монитора индикатируется текущее значение координат Х, Y. В этом режиме предусматривается числовое задание периода генерации импульсов управления для задачи определения частоты приемистости шагового привода. Период генерации задается в диапазоне 0...61636 тактов регистровых операций с индикацией на экране.
3. В режиме однократного управления клавишами-стрелками генерируются однократные импульсы на шаговые приводы, по светодиодной индикации наблюдается порядок коммутации обмоток шагового двигателя. Индикация координат сохраняется.
4. В режиме вывода текстовой строки регистрирующий прибор вычерчивает набранную на экране монитора текстовую строку, состоящую из букв русского алфавита, причем в любом месте строки можно ввести другой масштаб вычерчивания символов. Масштаб задается символом + с последующим указанием значения масштаба в диапазоне 1...9 крат.
5. В режиме вывода текстового файла система воспроизводит текстовый файл, созданный на ПЭВМ и хранящийся на гибком или жестком диске. Файл должен иметь имя с расширением tхt.
6. В покадровом режиме вычерчивается геометрический образ, заданный на экране монитора оператором в формате языка управляющих программ (ISO). При этом устройство контролирует ошибки в структуре слова.
7. В режиме автоматической работы регистрирующий прибор вычерчивает формообразующую траекторию, заданную в управляющей программе, которая в виде файла создана на ПЭВМ и хранится на гибком диске. При этом управляющая пр
·ограмма воспроизводится для обозрения на экране монитора.

Порядок включения автомата:
1. Проверить исходное положение управляющих органов: тумблер на передней панели БУЛШД должен находиться в выключенном состоянии.
2. Открыть вентиль пневмосети и включить компрессор. С помощью регулятора давления пневматического блока установить давление в пределах от 0,3 до 0,6 МПа.
3. Включить IBM-PC, далее включить блок управления шаговым двигателем кнопкой «Вкл.»
4. Перед включением управляющей программы проверить положение индуктора и в ручном режиме вывести его в исходное положение.
Управляющая программа находится в корневом каталоге IBM-PC. После нажатия клавиши F2 в операционной системе появится меню, из которого вызывается необходимый режим управления. При вызове автоматического режима предлагается ввести имя файла с размещенным в нем управляющей программой.
В данном разделе реализуется система числового программного управления автомата сборки печатных плат АСП-902 на основе ЭВМ типа IBM PC. Система выполняет общие требования к числовому программному управлению: решение задач электроавтоматики и двухкоординатного формообразования. Реализованы функции линейной и круговой интерполяции на базе алгоритмов оценочной функции, управление величиной контурной скорости в стандарте языка технологического программирования ISO.
Координатный электропривод автомата сборки печатных плат выполнен на основе шагового линейного двигателя. Дискретная структура привода исследована методами математического моделирования и экспериментально на физическом макете системы управления. Кроме того разработана как проектная схема устройства сопряжения, позволяющая управлять движением всех систем станка, так и отладочная, позволяющая решать вопросы отладки системы управления. Вопросы реализации и отладки программного управления АСП - 902 на базе IBM-совместимой ЭВМ и средства сопряжения через LРТ порт также получили экспериментальную проверку.
Разработанные средства сопряжения изготовлены, отлажены и позволили проверить программное обеспечение системы.
Прикладное программное обеспечение реализует задачи управления автоматом в ручном, покадровом, полуавтоматическом и автоматическом режимах, а также тестирование платы сопряжения и координатного электропривода.
Рассмотрены вопросы экономической целесообразности разработки, а также охраны труда и техники безопасности при работе и эксплуатации вычислительно-управляющего комплекса




Введение.
В промышленности находят применение различные виды автоматизированного технологического оборудования, отличающиеся числом рабочих позиций, видом агрегатирования, технологическим назначением, системами управления и др. Выделим из них автоматизированные технологические оборудования с числовым программным управлением.
Автоматизированное сборочное оборудование с ЧПУ производства РЭА. Основными операциями сборки электронных узлов на базе печатного монтажа и электронных компонентов являются: подготовка компонентов и плат к сборке; монтаж интегральных схем, элементов радиоэлектроники на плату; пайка выводов интегральных схем, элементов радиоэлектроники к элементам печатного монтажа (в монтажных отверстиях или на контактных площадках); доустановка других компонентов (в том числе разъемов); контроль, наладка, диагностический контроль, влагозащита и приемно-сдаточные испытания.
Одной из наиболее трудоемких и ответственных является операция монтажа элементов радиоэлектроники, интегральных схем на плату. Для автоматизации этой операции применяют два вида оборудования позиционного типа и поточного в виде автоматической или автоматизированной линии.
Перспективными являются робототехнические линии пайки-отмывки, где загрузка и выгрузка осуществляются манипуляторами роботов.
Особенностью любого сборочного производства является точное позиционирование. В данном случае применен электрический шаговый (дискретный) привод, который является простейшим вариантом разомкнутого привода (без обратной связи).
Достоинствами его являются простота конструкции, отсутствие каналов обратной связи и средств измерения положения и скорости РО, удобство связи с устройством задания программы. Программа движения в ЧПУ задается в виде последовательности импульсов, и для управления шаговым приводом тоже требуется сигнал в виде последовательности импульсов, поэтому сопряжение привода с задатчиком программы носит естественный характер (без промежуточных преобразователей). Из недостатков шагового привода следует отметить: существенное ограничение по скорости; необходимость плавного разгона двигателя при выходе на режим ускоренных перемещений и плавного торможения при возвращении в нормальный режим (плавный разгон и торможение необходимы во избежание пропуска шаговым двигателем импульсов; сбой его работы носит невосполнимый характер).
Шаговый привод, являясь разомкнутым, менее точен, не допускает применения эффективных средств коррекции и оптимизации (в отличие, например, от электропривода постоянного тока). Этим и обусловлены указанные ограничения.
В рассматриваемом автомате сборки печатных плат применен линейный шаговый двигатель. Его особенностью является перемещения по плоскости, а не вращение.
Автомат сборки плат АСП-902, разработанный и линейным шаговым двигателем
Цель данной работы – проектирование компьютерной системы программного управления автоматом сборки плат АСП-902. В качестве управляющей ЭВМ применен персональный компьютер типа IBM, который управляет трехкоординатным приводом. Две координаты которого построены на базе линейного шагового двигателя, управляемого с ЦАП в блоке управления шаговым двигателем и представляет собой движение индуктора по плите. Третьей координатой является координата паяльной головки, которая движется от пневмоклапанов вверх и вниз. Для подключения электропривода к ЭВМ требуется разработать устройство сопряжения, подключаемое к ЭВМ через параллельный порт, и соответствующее программное обеспечение, реализующее набор средств для ввода и выполнения управляющей программы на языке ISO. Следует предусмотреть также возможность ручного управления приводом.
1.4. Блок управления шаговым двигателем
Блок управления линейным шаговым двигателем БУЛШД обеспечивает питание и управление двигателем. Блок выполнен в виде сварного каркаса с направляющими, в которые вставляются платы, представляющие собой функционально законченные узлы электрической схемы. Для поддержания нормального температурного режима работы электрической схемы в блок встроены два вентилятора.
БУЛШД получает импульсы перемещения, а также может получать команды направления от программного устройства, например от системы управления IBM. Цифроаналоговые решающие устройства преобразует эти импульсы и команды в ступенчатые синусоидальные и косинусоидальные формы. Усилители мощности принимают сигналы управления с цифроаналоговых преобразователей, усиливают по мощности и подают на катушки индуктора. Обратная связь в усилителях мощности обеспечивает в катушках индуктора ток, пропорциональный входному напряжению. Для каждой фазы индуктора имеется усилитель мощности.В блоке управления шаговым двигателем используются 2 платы ЦАП – для двух координат, 4 платы усилителя мощности – управляющие восьмью фазами шагового двигателя.

Прогр обеспечение шд.

13 EMBED KompasFRWFile 1415
================================

Список рекомендуемой литературы
1.Юров В.Assembler СПб.: Питер, 2001.
2.Сабинин Ю.А. и др. Автономные дискретные электроприводы с силовыми шаговыми двигателями. Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980.
3.Гук М. Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия. – СПб.: Питер, 2002.
4.Мартыничев А.К. Системы программного управления производственными установками и технологическими комплексами: учеб. пособие. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та,1998.
5.Мартыничев А.К. Новицкий В.А. Системы программного управления производственными установками и технологическими комплексами: лабораторный практикум. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та,2010. -380с.
5.Техническое описание автомата сборки плат АСП – 902.
6.Шаговые приводы в станках с ЧПУ: метод. указания к лабораторным работам / сост. А.К. Мартыничев. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1985. 24с.: ил.
7.Афонин А.А., Билозор Р.Р. Электромагнитный привод робототехнических систем. Киев, 1986.
8.Гумен В.Ф., Калининская Т.В. Следящий шаговый электропривод. Л.: Энергия, 1980.
9.Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя. Изд. 6-е, переработанное и дополненное – М.: ИНФРА-М, 1996.
10.Комкин В.Л. Аппаратные системы числового программного управления. – М.: Машиностроение, 1989.
11.Хрулев А.К., Черепанов В.П. Диоды и их зарубежные аналоги: Справочник. В трех томах. Том 1. – М.:ИП РадиоСофт, 1998.
12.Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Т.1. – М.: КУбК-а, 1997.
13.Дьяконов В. Simulink 4. Спец. справочник. – СПб.:Питер, 2002.
В. Юров. Assembler: практикум. – СПб.: Питер, 2001.
14.Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0:Учебное пособие. – СПб.: КОРОНА принт, 2001.
15.Терехов В.М. Системы управления электроприводов: Учебник для студентов высших учебных заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2005.
17.Джордейн Р Справочник программиста персональных компьютеров типа IBM PC, XT и AT: пер. с англ. М.: Финансы и статистика 1992. 544 с.:ил.
19. Иванов Ю.В., Лакота Н.А. Гибкая автоматизация производства РЭА с применением микропроцессоров и роботов: учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1987.








2.3. Описание элементов схемы УСО.
Оптопара АОТ128А
Оптопара транзисторная, состоящая из излучающего диода на основе соединения галлий – алюминий – мышьяк и кремниевого фототранзистора, предназначена для бесконтактной коммутации постоянного тока с гальванической развязкой между входом и выходом.




Рис. 2.3.1 .Оптопара АОТ128А
Электрические параметры.
Входное напряжение:
при Iвх =10 мА, не более 1,6 В
типовое значение 1,25
при Iвх = 40 мА, не более 1,8 В
типовое значение 1,4 В
Напряжение изоляции, не менее 1,5 кВ
Пиковое напряжение изоляции
в течение 1 мин, не менее 3 кВ
Ток утечки на выходе:
при Iвх = 0, Rбэ = 100 кОм, Uком = 30В, не более 10 мкА
при Iвх = 0, Rбэ = 100 кОм, Uком = 10В, не более 0,05 мкА
Время нарастания и спада выходного тока
при Iвх = 0, Uком = 30 В,
Rн = 100 Ом и Rбэ = 100 кОм, не более 5 мкс
типовое значение 3 мкс
Сопротивление изоляции при Uиз = 500 В, не менее 1011Ом
типовое значение 1012Ом

Предельные эксплуатационные данные.
Обратное входное напряжение 0,5 В
Коммутируемое напряжение 50 В
Входной ток при Т = -40 ...+35 °С 40 мА
Выходной ток при Т = -40 .. +35 °С 8 мА
Входной импульсный ток при tи < 10 мкс 100 мА

Оптронный переключатель-инвертор К293ЛП1.

Содержит 12 интегральных элементов (в том числе на входе диодный оптрон). Корпус типа 2101-8-1, масса не более 1 г.

Рис. 2.3.2. Функциональная схема К293ЛП1.
Назначение выводов:
1, 2 – входы;
3 – вход контрольный;
4 – общий;
5, 8 – свободные;
6 – выход;
7 – напряжение питания.















Рис. 2.3.3. Электрическая схема К293ЛП1.
Электрические параметры:
Номинальное напряжение питания.5В(10%
Входное напряжение..1,11,5В
Выходное напряжение низкого уровня...(0,4В
Выходное напряжение высокого уровня(2,4В
Проходная емкость.(1,7пФ
Сопротивление изоляции(1012 Ом

Предельно допустимые режимы эксплуатации:
Напряжение питания:
максимальное.......5,5В
минимальное....4,5В
Максимальное напряжение изоляции..100В
Максимальное входное обратное напряжение3,5В
Максимальный входной ток.20мА
Максимальный входной импульсный ток при длительности импульса не более 10 мкс и скважности 2.....100 мА
Допустимое значение статического потенциала.200В
Температура окружающей среды..-10+70(С

Микросхема К155ЛН2.
Логические элементы - это интегральные микросхемы, реализующие базовые логические функции НЕ, И, ИЛИ и их комбинации вида И-НЕ, И-ИЛИ-НЕ и другие. Часть логических элементов, помимо логических операций, выполняют и функции усилителей мощности.
В разрабатываемом устройстве возникает необходимость согласования уровней активных сигналов выводов, подключаемых друг к другу. Именно для этого берется микросхема, реализующая функцию НЕ.
Элемент типа «НЕ» представляет собой логику со следующей таблице истинности (табл. 2.3.1.):
Таблица истинности 2.3.1.
Вход
Выход

0
1

1
0


К155ЛН2 содержит шесть инверторов с открытым коллекторным выходом (по одному входу и одному выходу на каждый элемент). Структурная схема данной микросхемы с указанием номера вывода выглядит следующим образом (вывод 7-общий, вывод 14-напряжение питания):



Рис. 2.3.4. Микросхема К155ЛН2

Электрические параметры:
Напряжение питания номинальное 5 В +/-5%
Выходное напряжение низкого уровня от 0.4 В
Входной ток низкого уровня от -1,6 мА
Входной ток высокого уровня от 0,04 мА
Ток утечки на выходе от 0.25 мА
Входной пробивной ток от 1 мА
Ток потребления при низком уровне
выходного напряжения от 33 мА
Ток потребления при высоком уровне
выходного напряжения от 12 мА
Потребление статической мощности
на 1 логическом элементе от 19.7 мВт

Светоизлучающий диод АЛ307В.
Светоизлучающие диоды галлий - алюминиевые, выполнены в пластмассовом корпусе красного цвета свечения, предназначены для визуальной индикации. Масса диода не более 0,25 г.

Рис. 2.3.5 .Светоизлучающий диод АЛ307В.
Электрические и световые параметры:
Сила света при I=10 мА 0,4 мкд
Постоянное прямое напряжение при I=10 мА не более 2,8 В
Цвет свечения - красный.
Предельные эксплуатационные данные:
Постоянный ток при температуре от 213 до 343 К 22 мА
Обратное напряжение от 213 В
2.3.1. Выбор резисторов для схемы УСО.
Все резисторы серии МЛТ - постоянные металлопленочные лакированные теплостойкие, группа по уровню шумов А, документация на поставку Д.
Выбор по мощности резисторов:
Резисторы R1-R8 для проектной схемы и R23-R27 для отладочной схемы выбираем из условия, когда по светодиоду оптопары протекает максимально допустимый ток, равный 20 мА.
Напряжение U = 5В,
I=0.020 А
R= 0,25 кОм
Р = I2R = 0,1 Вт
Выбираем резисторы серии МЛТ - 0,25 - 280 +/- 5 %
Резисторы R9-R16 для проектной схемы и R28-R32 для отладочной схемы, необходимы для защиты от плохого контакта, т.е. для протекания по кнопке большого тока. Поэтому возьмем резисторы сопротивлением 100 Ом.
Резисторы R17 - R24 для проектной схемы и R1-R6 для отладочной схемы выбираются из условия создания в светодиодах номинальных рабочих токов. R = U/0.01 = 5В/0.01А = 500Ом,
Р = I2R = 50 мВТ
Выбираем резисторы серии МЛТ - 0,5 - 510 +/- 5 %
Резисторы R25 – R40 для проектной схемы и R7-R12 для отладочной схемы
U=5B, R=330 Ом
I=0,015 А
Р = I2R = 0,075 Вт = 75 мВТ
Выбираем резисторы серии МЛТ - 0,25 – 330 +/- 5 %
На резисторы R41 - R56 для проектной схемы и R13-R16 для отладочной схемы
Напряжение U = 5В,
R = 600 Ом
I = 0.008 А
Р= I2R = 0,0384 Вт = 38,4 мВТ
Выбираем резисторы на 0.25 ВТ серии МЛТ - 0,25 – 600 +/- 5 %
Резисторы R57 – R72 для проектной схемы и R17-R22 для отладочной схемы выбираем из технического описания оптопары, а следовательно 100 кОм.
3. Моделирование системы управления движением.
Цель рассмотрения вопроса, определение условий управлений без пропуска импульсов.
Математическая модель шагового привода в программе математического моделирования «Matlab» и имеет вид, см. рис. 3.1.

Рис. 3.1. Модель шагового линейного привода.
Прежде чем приступить к моделированию, уточним параметры привода:
Число тактов управления 128
Максимальное тяговое усилие F=40 Н
Масса механизма m=2 кг
Число зубцов Zp=64
Коэффициент демпфирования 1,5
Согласно приведенным параметрам были получены результаты, см рис.3.2-3.9










Рис. 3.2. Переходный процесс
·=f(t) и
·=f(t) при fзад=5
На рис. 3.2 мы видим что процесс монотонный (fзад=5), без перерегулирования, индуктор точно отрабатывает каждый шаг. Время переходного процесса составляет 0.12 с. Угол рассогласования
· не превышает допустимого, 0,05 рад. Потери информации не происходит.
При малой частоте управляющих импульсов двигатель работает в шаговом режиме, свободно отрабатывая каждый шаг. При этом колебания статора полностью затухают.

Рис. 3.3. Переходный процесс
· =f(t) при fзад=5

Рис. 3.4. Переходный процесс
·=f(t) и
·=f(t) при fзад=471

Рис. 3.5. Переходный процесс
· =f(t) при fзад=471

На рис. 3.5 мы видим что работа привода осуществляется на частоте приемистости, равной fприем.=471 шаг/с. Из рисунка видно, что угол рассогласования
· почти достиг 1.5 рад. На рис. 3.4 хорошо видно, что привод не успевает отрабатывать импульсы, но и потери информации не происходит.

Рис. 3.6. Переходный процесс
·=f(t) и
·=f(t) при fзад=480
На рис. 3.6 мы видим работу привода на частоте выше частоты приемистости, равной f=480 шаг/с, при этом происходят провалы, т.е. пропуски шагов и потеря информации. Из рис. 3.7 видно что угол рассогласования
· превысил предельно допустимый равный 3.14, двигатель начинает выпадать из синхронизма.

Рис. 3.7. Переходный процесс
· =f(t) при fзад=480

Рис. 3.8. Переходный процесс
·=f(t) и
·=f(t) при fзад=447 и ном. нагрузке.

Рис. 3.9. Переходный процесс
· =f(t) при fзад=447 и ном. нагрузке.
На рис.3.8 – 3.9 показана работа привода при нагрузке, приложенных к индуктору. На рисунках мы видим, что частота приемистости является функцией нагрузки. Так при ее отсутствии частота приемистости равна 471 шаг/с, при приложении нагрузки частота приемистости, равна 447 шаг/с, т.е. частота приемистости обратно пропорционально прилагаемой нагрузке.
4. Разработка программного обеспечения.
ПЭВМ является неотъемлемой частью всего устройства. Именно её вычислительные способности используются для управления электрооборудованием станка. Устройство сопряжения служит лишь для связи и адаптации сигналов, поступающих с ПЭВМ на станок.
Поэтому, не менее важной частью всего комплекса, помимо аппаратной части, является программная часть в виде различного вида алгоритмов, осуществляющих нормальное функционирование комплекса и выполнения всех поставленных технических требований. К программным алгоритмам предъявляются такие требования как:
осуществление работоспособности и нормального функционирования всех узлов и блоков устройства сопряжения;
быстродействие, достаточное для использования в качестве управляющей ПЭВМ IBM-совместимый компьютер и позволяющее выполнить технические требования, предъявляемые к комплексу;
удобный интерфейс, для облегчения визуального контроля за протекающими в удалённом объекте управления процессами и упрощения управления им.
Приведён листинг всех используемых в программах макрокоманд с подробными комментариями осуществляющихся в них действий, с указанием входных и выходных параметров.









4.1. Режим формообразования. Линейно-круговая интерполяция по методу оценочной функции.
Программы обработки детали, являющиеся внешними по отношению к алгоритмам управления, разрабатываются потребителем, эксплуатирующим станок с УЧПУ. Программы записываются на перфоленте или вводятся с клавиатуры УЧПУ и определяются типом обрабатываемой детали (ее геометрическими размерами, видом обработки и т. п.).
Для работы УЧПУ существенное значение имеет алгоритм интерполяции. Под интерполяцией понимают выдачу информации о траектории движений инструмента в интервале между координатами опорных точек, заданных в УП. Если траектория движения между опорными точками задана прямой, то выполняют линейную интерполяцию, если окружностью, то круговую интерполяцию. Интерполяцию выполняют с помощью электронных схем; (в УЧПУ Н22, НЗЗ и др.) либо с помощью ПМО (в микропроцессорных устройствах ЧПУ). Однако в обоих случаях интерполируют по одним и тем же математическим выражениям.
Интерполятор отрабатывает программу последовательно отдельными участками (кадрами), при линейной интерполяции - это участки прямых линий, расположенных в пространстве.
Предположим, что необходимо отработать кадр, представляющий собой отрезок АВ (рис. 1), расположенный в плоскости XY (ха, уа координаты точки А, хВ, уВкоординаты точки В). Отработку кадра ведут в направлении от точки А к точке В. Особенностью интерполятора является то, что исходной информацией для него являются не координаты точек отрабатываемого отрезка (Ха, Уа, ХВ, УВ), а разность координат конечной В и начальной А точек отрезка, т. е. приращения по координатам:

·Х = ХВХа
.У=УВУа.



ПРИЛОЖЕНИЕ А (спецификации)









4

6

1

2

3

5

А






В



D

4

2

5

3

1

Интерпретатор

Ввод имени файла

Ввод имени файла



А

90°

С

D





В



А



Root Entry

Приложенные файлы

  • doc 1400118
    Размер файла: 5 MB Загрузок: 1

Добавить комментарий