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.

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

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.

1

2

3

4

5

6

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 45º. 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.

D

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.

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)

4

2

1

5

3

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.

Рис.13. Блок-схема алгоритма ручного управления

Интерпретатор

Рис. 14. Блок-схема алгоритма покадрового управления

Ввод имени файла

Рис.15. Блок-схема алгоритма полуавтоматического управления

Ввод имени файла

Рис.16. Блок-схема алгоритма автоматического управления

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+2000Y+2000I0J-2000

N13X-2000Y+2000I-2000J0

N14G1X+8000

N15X3000Y+2000

N16X1500Y+1500

N17Y1000

N18G3X1000Y1000I0J1000

N19X-1000Y1000I-1000J0

N20X-1000Y-1000I0J-1000

N21X+1000Y-1000I1000J0

N22G1Y-1000

N23X1500Y-1500

N24X-1500Y+1500T0

N25Y-1500T1

N26X-1500Y-1500T1

N27X250

N28X1250Y1500T0

N29X1500Y-1500T1

N30T0M2

На рис.18 приведен вид отработки программы.

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 программа 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.