Часть 1. Функции, структура и элементная база сау Гл. 1. Элементная база и структура сау
1.1. Вариантность элементной базы сау и возможности реализации различных функций
Выбранная элементная база определяет возможности САУ при реализации ее основной и дополнительных функций. Рассмотрим и проанализируем варианты построения САУ на
примере САУ робота для перегрузки
Склейка оболочки
На регенерацию
На
п/а
заварки
ЭОС
цветных кинескопов. Анализ различных вариантов будем вести в историческом аспекте, по мере возникновения различ- ных средств реализации систем управ- ления. Конечно многие рассматривае-
и экрана
1 2
3
Рис. 1.1.
6
На п/а заварки ЭОС
5
Проверка герметичности шва склейки
4
мые нами САУ в новых разработках применять не следует, но нам важны побудительные причины, приведшие к возникновению рассматриваемых вари- антов, их возможностипо реализации различных функций, способы описания работы систем на той или иной эле- ментной базе, тенденции развития сис- тем управления.
Схема рассматриваемого технологиче- ского участка представлена на рис. 1.1. В печи 1 экранно-масочный узел (ЭМУ) и оболочка кинескопа склеива-
2 3 4 5 6
1
7 8
К2
ются между собой специальным клеем и ро- ботом 2 переставляются с ленточного выход- ного конвейера печи на непрерывно движу- щийся цепной конвейер. На этом конвейере проводится проверка качества шва склейки кинескопа и далее кинескоп 3 поступает на участки заварки электронно-оптической сис- темы (ЭОС) в горловину кинескопа и далее - на термовакуумную обработку. Одна печь склейки обслуживает несколько участков за- варки ЭОС. Некачественно склеенные обо- лочки, проходя мимо участков заварки, должны поступать на регенерацию узлов оболочки. Задача рассматриваемого нами ро-
х1 x2
x3
И2
К1 И1
Рис 1.2.
9 бота 5 – забирать годные оболочки с непре- рывно движущегося конвейера и перестав- лять их на дискретный конвейер – накопитель 6 участка заварки ЭОС.
Конструкция робота перегрузчика представлена на рис. 1.2. Робот забирает год- ный кинескоп 1 с подвески непрерывно пере- мещающегосяцепного конвейера2 ипере-
гружает его на тележку 7 накопителя 8, из которого он будет доставлен к операции очистки горловины и заварки электронно-оптической системы. Кинескоп захватывается вакуумной присоской 3, которая перемещается в горизонтальном направлении механизмом 4, в верти- кальном - механизмом 5. Поворот руки робота осуществляется механизмом 6. При движении кинескопа вместе с конвейером его горловина нажимает на пружинный щуп конечного вы- ключателя, который формирует сигнал Х1 о наличии кинескопа в зоне захвата робота. Если наоперацииконтроляклеевогошваэкрана и конуса, котораяосуществлена ранее, будет при- знано, что оболочка является браком, в горловину вставляется конус 10 из кальки - флажок. При этом в момент прохождения кинескопа вместе с X1 подается и сигнал Х2, и таким обра- зом, будет сообщено, что взонезагрузки бракованный кинескоп. Сигнал ХЗснимается с дат- чика наличия тележки на позиции загрузки адресного конвейера.
Управляет роботом САУ 9, которая на основе информации И2 о состоянии внешней относительно манипулятора среды и информации И1 о состоянии его рабочих органов выда- ет команды К1 для управления приводами манипулятора и сигнал К2, формирующий совме- стно с сигналом о наличии оболочки на тележке накопителя команду на ее старт.
А. Система автоматического управления с механическим командоаппаратом.
Система (рис.1.3.) состоит из электродвигателя М, который через пару сменных шесте- рен передает вращение на распределительный вал, несущий кулачки 5 - 9, служащие приво-
дом руки манипулятора. Кулачок 5 через
К1 К2
х1 х2 х3
M
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Рис. 1.3
рычажную систему или шариковый переда- точный механизм перемещает манипулятор в горизонтальном направлении, кулачок 6 - в вертикальном, кулачок 7 поворачивает ру- ку манипулятора, кулачок 8 открывает кла- пан вакуумной присоски. Эти четыре кулач- ка задают команды К1 (обеспечивают при- вод руки манипулятора в нужной последо- вательности). Команда К2 на накопитель снимается с конечного выключателя, кото- рый включается и выключается кулачком 9.
Вращение от двигателя на распредели- тельный вал с кулачками передается через од- нооборотную муфту 4, которая после включе-
ния передает ровно один оборот и выключается. Сигнал Х2 через инвертор 1 и сигналы XI и ХЗ подаются на ячейку "И" (2), которая по сочетанию Х1*Х2*ХЗ формирует команду на включение однооборотной муфты. Однооборотная муфта здесь применена, чтобы не включать и не выклю- чать в каждом цикле перегрузки достаточно мощный двигатель М, поскольку этот двигатель че- рез кулачки приводит манипулятор в движение.
Циклограмма, описывающая последовательность срабатывания отдельных механизмов манипулятора, приведена на рис. 1.4. Она является исходным материалом для разработки профилей каждого из кулачков.
Механизмы
Выдвижение руки робота
Подъем руки робота
Поворот
Вакуумная присоска
Сигнал тележке
0 90 180 270 360
Рис.
1.4.
Циклограмма
работы
робота.
Рассмотренное нами устройство назвать роботом можно с большой натяжкой. Скорее это - специальный автооператор. Основнойего недостаток - трудность переналадки САУ, поскольку для этого нужно разработать, изготовить и установить на распределительный вал новые кулачки.
Сложны в реализации и механизмы, передающие движение от профиля кулачков к ра- бочим органам робота. Для упрощения и унификации конструкций таких устройств в свое время появились и широко использовались шариковые исполнительные, представляющие из себя набор шариков и втулок, вставленных и скользящих в металлической трубке, которую можно было изначально изгибать для согласования с положением рабочих органов. В неко- тором роде это аналог гидравлического привода, но кинематически более точный.
Несмотря на трудности переналадки, механические кулачковые системы благодаря их надежности, простоте и накопленному опыту разработки и эксплуатации применяются и еще долго будут применяться там, где частые переналадки не требуются. Такие системы в про- цессе управления не требуют большого объема входной информации, одновременно выпол- няют роль привода, но могут реализовать лишь жесткий синхронный цикл работы.
Б. Пневмомеханический командоаппарат
В этом устройстве (рис.1.5) приводные и исполнительные механизмы и система управления разделены. Перемещения руки осуществляется пневмоцилиндрами, которые за-
питываются через пневмоклапана 3, управ-
К1 К2
U Р U
х1 х2 х3
M
ляемые кулачками распределительного вала. Поскольку кулачки уже не являются приво- дом, нагрузка на них и на распределитель- ный вал существенно уменьшилась, двига- тель М гораздо менее мощный и может за- пускаться и останавливаться в каждом цикле перегрузки. Обычно используют двигатели со встроенным редуктором (РД-09 и др.) и частотой вращения выходного вала в не- сколько оборотов в минуту, обладающие достаточно малой инерционностью.
1 2 3
4 5 6 7 8 9
Кулачок такой САУ не несет больших
Рис. 1.5.
нагрузок и делается сборным со сменными профилями (рис. 1.6.): толкатель клапана 1 скользит по сменным регулируемымсегмен-
там 3, закрепленным на диске 4 с помощью винтов 2.
1
2 3 4
Перенастроить пневмомеханическую САУ уже проще, переналадказанимает уже не несколько смен, как в предыдущем случае, а часы и даже минуты. Такую систему имеет промышленный робот ПР5-2, который серий- но выпускался в 70 - 80-х годах уже прошлого века.
Сейчас такие системы управления в чистом виде в новых разработках уже не ис- пользуют, ноотдельныеустройствапневмо- механики применяют достаточно широко, особенно там, где недопустимо использование электрических контактов из-за опасности взрыва газов и т. п.
Рис.
1.6.
В. Электромеханический командоаппарат.
В отличие от пневмомеханической системы, кулачки воздействуют на конечные вы- ключатели 1 (рис. 1.7.), которые, в свою очередь, включают электромагнитные пневматиче- ские клапаны. Нагрузки на кулачки здесь еще меньше, поэтому их делают наборными из су- хариков 2, перемещающихся в Т-образных пазах, нарезанных по образующей распредели- тельного вала. Такая САУ зарекомендовала себя, как достаточно надежная и простая. На пе- репрограммирование цикла требуется уже несколько минут.
К1 К2
5
U
6
х1 7
х2 х3
Кулачковый барабан
M
1 2 3 4
Рис. 1.7.
Использование электрического сигнала для управления клапанами увеличило возмож- ности САУ. Так, сигнал о том, что кинескоп бракованный можно вводить и обрабатывать в цепях управления клапанами и тем самым добиться того, чтобы бракованный кинескоп тоже разгружался, но в другую зону.
Цикл управления такой системы также является жестким и синхронными длится стро- го задаваемое частотой вращения двигателя время.
Система, как и ранее рассмотренные, не может реализовать потенциальные возможно- сти приводов по быстродействию, поскольку момент окончания каждого перемещения не фиксируется. Длительность на каждую операцию при разработке циклограммы выбирается с запасом, так, чтобы она с достаточной вероятностью окончилась бы даже при неблагоприят- ных сочетаниях условий: понижении давления в пневмосети, утечки в пневмоцилиндрах, не- качественной смазке и др.
Г. Система управления на жесткой логике.
Если снабдить каждый привод датчиками положений рабочих органов, можно будет фиксировать завершениеопераций и тем самымповысить быстродействие. В качестве датчи- ков в данном случае можно использовать конечные выключатели или герконы. Суть САУ на жесткой логике в том, что последовательность работы объекта зашита в схеме, обрабаты- вающей сигналы и выдающей команды на приводы. Эта схема может быть собрана на кон- тактно-релейнах компонентах или на интегральных схемах малой степени интеграции.
На рис. 1.8,а) показано расположениедатчиковрассматриваемогонами робота, с полу- чением Х-сигналов с датчиков и У-команд на соответствующие приводы. Анализируя Х-сиг- налы, система управления должна выдавать У-команды. При этом возможны два случая. В
У4
Х4 У1 Х5
Х9
а)
Х6 У2 Х7 Х8
У3
Рис. 1.8.
X1-X3
X4-X9
Х
ПС
Память состояний
-У4 5
|
КЛС |
У1 |
|
У | |
|
|
б)
У{S(i-1), X} S(i-1)
в)
первом (рис. 1.8,б) У-ко-
манды зависяттолько от при- сутствующих
в рассматри- ваемый мо- мент Х-сигна- лов. Тогда
САУ пред- ставляет из себя комбина- ционную ло-
гическую схему (КЛС). Во втором, (рис. 1.8,в)
команды, выдаваемыев каждомтакте управления, зависят, как от присутствующих сигналов, так и от состояния системы Si-1, где i- номер такта управления. Такие схемы называются по-
следовательностными. Если выход определен только состоянием Si-1, систему называют ав-
томатом Мура, если выход определен состоянием Si-1 и входом Х - автоматом Мили.
Возможности по реализации сложных циклов управления у таких систем гораздо ши- ре, чем у предыдущих. Здесь уже, помимо обеспечения асинхронного быстродействующего цикла можно добиться выполнения ряда сервисных функций по диагностике отказов и выяв- лению причин неисправностей. При равном количестве входных сигналов последова- телностные схемы обеспечивают больший диапазон реакций, чем комбинационные. Имею- щегося в нашем примере комплекта сигналов не достаточно для построения САУ, как КЛС. Например, входному набору Х1=1, Х2=0, Х3=1, Х4=0, Х5=1, Х6=1, Х7=0, Х8=1, Х9=0 (год- ный кинескоп присутствует на позиции , есть тележка накопителя, pyкa робота вытянута, поднята и повернута к накопителю) может соответствовать два набора команд, приведенных в табл. 1.1.
Таблица 1.1.
|
У1 |
У2 |
УЗ |
У4 |
|
1 |
1 |
1 |
0 |
|
1 |
0 |
0 |
1 |
Номера команд соответствуют обозначениям на рис.1.8,а). Набор в верхней строке таблицы означает поворот к конвейеру с выдвижением поднятой руки при начале нового цикла, в нижней строке - опускание выдвинутой руки при разгрузке кинескопа в тележку на- копителя. Дело в том, что появление очередного кинескопа в зоне загрузки, пока цикл пере- грузки еще не окончен вполне возможно и даже весьма вероятно, поскольку разгрузка с кон- вейера в реальных технологических линиях по производству цветных кинескопов осуществ- ляется тремя последовательно установленными у конвейера роботами. Какой сигнал нужно добавить, чтобы для управления применить КЛС?
Последовательность работы КЛС описывают автоматной таблицей или таблицей ис- тинности, описывающей соответствие входных Х и выходных У сигналов. Эта таблица явля- ется основой разработки КЛС. Дело инженера-механика задать требуемую циклом управле- ния таблицу, а инженера-схемотехника - разработать соответствующую ей схему.
Для описания последовательных схем применяют графы переходов и таблицы выходов схемы. Начинают описание с выделения состояний схемы или типовых состояний объекта управления. Граф переходов и таблицу выходов затем несколько раз преобразуют в вид, удобный для схемотехнической реализации с целью последующей разработки электрической схемы САУ. Это pa6oтa инженера-схемотехника.
Инженеру механик должен начинать с наиболее ясного и наглядного описания, позво- ляющего легко проследить, должным ли образом работает объект.
За состояния удобно принять те промежутки времени, когда на выходах схемы присут- ствует неизменный набор команд. Примем следующий набор состояний:
0 - исходное состояние робота, с поднятой и втянутой рукой, повернутой в сторону нако- пителя; он ожидает сигнала о наличии годного кинескопа и тележки накопителя;
1 - старт загрузки - выдвижение руки и поворот к конвейеру (Выдв*Пвр);
2 - опускание повернутой и выдвинутой руки на кинескоп на конвейере (Опск);
3 - включение вакуумной присоски и задержка времени на захват кинескопа (Здрж*Прс);
4 – подъем руки робота (Пдм);
5 - втягивание поднятой руки с кинескопом (Втг);
х5*х6
х7 9
х7
8
x1*x2*x3
− 6 - поворот руки к накопителю (Пвр);
− 7 - выдвижение руки (Выдв);
− 8 – опускание (Опск);
− 9 - напуск воздуха в присоску, подъем руки и втягивание, выдача команды на старт те- лежки У5 (Втг*Пдм*Прс).
Автоматный граф робота перегрузчика и таблица его состояний, содержащая перечень выдаваемых в каждом из состояний робота команд приведена на рис. 1.9.
Кружками на графе обозначены состояния, стрелками - переходы. Рядом с каждой стрелкой указано условие перехода.
Приведенный граф является упрощенным, он показывает только реализацию функций управления рабочим циклом робота. В каждом состоянии анализируется ограниченный набор сигналов. Граф можно дополнить аварийными состояниями, если в каждом из основных со- стояний расширить анализируемый набор и выявлять аварийные ситуации.
Хорошо проработанный граф должен отличаться полнотой анализа ситуаций, непро- тиворечивостью переходов - одни и те же ситуации не должны вести в разные состояния. Не
Рябов Владимир Тимофеевич. Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»
МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru0
х5*х6
x1*x2*x3
1
x4*x9
2
x4*x9
|
Состояние |
У1 |
У2 |
У3 |
У4 |
У5 | |
|
0 |
Исходное |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
1 |
Выдв*Пвр |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|
2 |
Опск. |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
3 |
Здрж*Прс |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
4 |
Пдм |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
|
5 |
Втг. |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
|
6 |
Пвр |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
|
7 |
Выдв |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
|
8 |
Опск |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
9 |
Втг*Пдм*Прс |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
X7
х4 х4
7
х8
Задержка
X7 Задержка
3
6 х5 х6
5
х8
х5
4
х6
Рис. 1.9.
должно быть тупиковых состояний, необходимо предусматривать пошаговую отработку ко- манд для реализации режима наладки. Особое внимание следует обращать на процесс вы- ключения. Ординарное (неаварийное) выключение робота необходимо производить в исход- ном состоянии, чтобы при включении он не выполнял никаких движений.
Схемы на жесткой логике применяют для управления объектами, когда переналадка не нужна или незначительна и может быть реализована без схемных изменений. Именно так в основном построены системы управления стационарных роботов.
В настоящее времядаже схемы нажесткой логике всеболее широко вытесняются про- стыми микропроцессорными контроллерами, для программирования которых используют языки, построенныенаосновеили автоматных графов переходов и состояний или языкикон- тактно-релейных схем. Мы позже рассмотрим пример использования такого контроллера, а пока продолжим рассматривать варианты реализации САУ роботом – перегрузчиком в исто- рическом аспекте, так, как эти схемы появлялись и развивались.
Д. САУ со штекерной панелью.
На следующем этапе основной проблемой являлось перепрограммирование контактно- релейных схем и для устранения этой трудности были разработаны САУ со штекерной панелью.
ОсновойсхемыСАУявляется генераторимпульсов, вырабатывающий прямоугольные импульсы с заданной частотой. По своему функциональному назначению он эквивалентен двигателю САУ с командоаппаратом (см. рис. 1.4.). Счетчик СТ, который предназначен для счета этих импульсов, обнуляется и инициируется к счету сигналом низкого уровня, пода- ваемым с инвертирующего выхода D-триггера Т. К “D” входу этого триггера подключена уже известная нам цепочка из инвертора и ячейки "И", формирующая сигнал Х1*Х2*Х3.
Записывается информация в D-триггер, если счетчик находится в нулевом состоянии. Выходысчетчика подключены к дешифратору DC "один из шестнадцати", который в зависи- мости от приходящего на его вход двоичного числа заземляет соответствующий выход (ус- танавливает на нем логическое состояние 0), поддерживая на остальных сигналы высокого уровня.
X9 1 X8
&
X7 1
И1 X6
ГИ
X5 1
X4
X3 &
И2 X2 X1
& +1 CT 1
2
4
R 8
D Q C Q
1 DC 0 2
1
4
8 2
3.
R1 ..
R2 15
+5V R1 R1 R1 R1 R1
ФК
Рис.
1.10.
У1 У2 У3 У4 У5
К1 К2
Выходы дешифратора образуют горизонтальные шины программируемой матрицы, вертикальные шины подключены к формирователю команд У1-У5, подающему их на соот- ветствующие механизмы. При счете последовательно заземляются горизонтальные шины и через диоды подаются соответствующие команды на механизмы манипулятора, что эквива- лентно вращению распределительного вала систем по первым трем рассмотренным выше
Рябов Владимир Тимофеевич. Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»
МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru
16
схемам. Однако "двигатель" здесь безинерционен и может оперативно включаться и выклю- чаться на каждую шестнадцатую долю "оборота". Для этого служит ячейка "И", подключен- ная к счетномувходу счетчика. Если в какой-либо паре конечных выключателей, оба окажут- ся разомкнуты, что сигнализирует о том, что соответствующее элементарное перемещение не окончено, импульс на счетчик не пройдет и система не перейдет в следующее состояние. Та- ким образом, можно строить асинхронные циклы управления.
Программируемая матрица конструктивно выполняется в виде штекерной панели, в которой программирование выполняется установкой в узлы матрицы штекеров, в виде на- борного поля, когда в узлах расположены тумблеры, либо в виде сменной платы, в нужные узлы которой впаяны диоды. Диоды нужны для того, чтобы запретить передачу нуля от вер- тикальных шин штекерной панели к горизонтальным
САУ со штекерной панелью вобрали в себя все лучшие качества предыдущих систем, их наиболее слабым местом являются электрические контакты панели. Каких только конст- рукций не было: и с микровыключателями и с герметичными магнитоуправляемыми контак- тами (герконами), но наибольшее распространение в свое время все же получили сменные платы с впаянными диодами. Для перепрограммирования следовало заменить плату или пе- репаять диоды.
Е. САУ с электронной памятью.
Роль штекерной панели может с успехом выполнять электронная память, оперативная либо репрограммируемая. Структурная схема САУ с РПЗУ (репрограммируемым постоянным за- поминающимустройством) приведена на рис. 1.10 исостоит из трех основныхблоков: БУП- блока управления памятью; БП - блока памяти; ФК - формирователя команд. Если внима- тельно посмотреть предыдущую схему на рис. 1.9, то там можно выделить те же блоки, толь- ко роль памяти играет штекерная панель. Здесь жеее заменяетодна БИС (например, старень- кая К573РФ2). Это РПЗУ со стиранием информации ультрафиолетовым излучением емко- стью 2048 байт = 2Кб или 2048 восьмиразрядных слов (байт).
Если на вход адресов через шину А подать адрес слова памяти, а на вход управления по шине У сигнал разрешения на прием адреса СS (Chip Select) и с некоторой задержкой - разрешение выхода 0Е (Output Enable), то на выходе появится содержание адресуемого вось- миразрядного слова, которое по шине поступит в регистр формирователя команд и после преобразования (усиления)- на соответствующие механизмы робота.
Если мы на одну "программу будем тратить 64 управляющих слова (в предыдущей САУ мы обходились 16-ю, то в РПЗУ можно разместить до 32 различных программ. Программируют РПЗУ на специальных программаторах, подключенных к персональному компьютеру.
Рябов Владимир Тимофеевич. Кафедра «Электронные технологии в машино
МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ruБлокуправления
БУП
|
|
+1
R |
CT |
1 2 4 8 |
|
|
| ||||
|
| ||||
|
| ||||
|
|
+1
R |
CT |
1 2 4 8 |
|
|
| ||||
|
|
ГИ | |
|
| ||
|
| ||
|
|
| |
|
| ||
X1 X2 X3
X4 X5
X6 СгУ
X7 X8
А РПЗУ D
0 0
1 1
2 2
3 3
4 4
5 5
6 6
7 7
8
9
10
ОЕ
CS
У1
ФК У2
У3 У4 У5
памяти по входу "номер программы" (№пр) дол- жен выбирать адрес на- чала одной из 32 зон, в которых размещены про- граммы. Затем, анализи- руя входы, должен по- следовательно увеличи- вать адреса управляющих слов, выдавая их на фор- мирователь команд. Так- тируется этот процесс,
X9 Рис. 1.11
строении»
17
как и в предыдущей схеме генератором импульсов ГИ. По окончании обработки программы цикл работы БУП повторяется.
Для реализации САУ на основе КЛС, когда число входов велико и ряд сочетаний входных переменных является просто недопустимым, вместо РПЗУ широко применяют про- граммируемые логические матрицы.
САУ с РПЗУ помимо выполнения рабочего цикла могут реализовать ряд сервисных функций, например, диагностику неисправностей; пошаговый режим работы; автоматиче- ский выбор требуемой программы.
Подобные системы управления находили в свое время большое распространение бла- годаря их простоте, высокой надежности, относительно широким возможностям и постепен- но вытеснили схемы на жесткой логике, но и сами довольно быстро были вытеснены микро- процессорными САУ. Если мы хотим обеспечить оперативное перепрограммирование с пульта управленияроботом, необходимоиспользоватьоперативное запоминающее устройст- во (ОЗУ). Однако это существенно усложнит блок управления памятью, поскольку он поми- мо режима управления должен будет обеспечивать и режим перепрограммирования: взаимо- действовать с клавиатурой, осуществляющей перепрограммирование, индицировать его про- цесс, выявлять ошибки оператора и позволять их сравнительно просто устранять. Для реали- зации режима свободного перепрограммирования в качестве БУЦ целесообразно использо- вать микропроцессорное устройство.
Ж. САУ на основе микропроцессора.
САУ на основе МПУ и микроЭВМ обладает наиболее широкими возможностями по реализации различных функций САУ. Если во всех предыдущих системах мы использовали цикловой принцип управления, когда САУ выдает команды на очередность перемещений, а само перемещение ограничивается механическими упорами, то здесь можно широко варьи- ровать положением точек позиционирования, насколько позволяет привод. Можно организо- вать перемещение руки по сложному контуру, производя одновременный контроль на герме- тичность, и затем перегрузку, маркировку брака, выявление брака по маркировке с помощью систем технического зрения и т.п. Ограничения на функции управления при использовании микропроцессоров чаще всего накладывают уже не возможности САУ и не возрастающая приувеличении числа функций стоимость, авозможности приводов и исполнительных меха- низмов и уровень квалификации разработчиков.
Ничто не развивается столь быстро и не дешевеет столь интенсивно, как средства вы- числительной техники. Если бы автомобили последние 40 лет вели себя также, они стоили сейчас не дороже пачки сигарет и летали быстрее реактивного лайнера.
Структурная схема САУ роботом на микропроцессорной основе представлена на рис.
1.12. Система состоит из двух основных блоков: микроЭВМ или вычислительного ядра ВЯ, предназначенного для обработки информации под управлением программного обеспечения ПО и устройства связи с объектом УСО, предназначенного для согласования уровней и про- токолов(правил) обмена сигналами вычислительного ядра и объекта управления (сигналы от датчика и команды на исполнительные механизмы).
18
Вычислительное ядро включает микропроцессор МП, тактовый генератор ГИ, посто- янное запоминающее устройство ПЗУ, и оперативное запоминающее устройство ОЗУ. УСО состоит из контроллера дискретных каналов КДК, формирователя команд ФК и пульта
управления ПУ.
КШ ШУ ШД
|
|
МП |
|
|
|
ГИ |
|
| |
|
| |
|
|
ША
ПЗУ
ОЗУ
БСО У1
ФК У2
У3 У4 У5
X1
СУ X2
X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9
Микропроцессор создаети обслуживает три шины: шину адре- са, шину данных и ши- ну управления. Каждое из устройств имеет свой адрес, при подаче которого на шину адре- сов, оно подключается к шине данных и, в за- висимости от сигнала на шине управления,
Последовательный канал связи
ПрУ
КПсК
Рис. 1.12
КПУ ПУ
начинает прием (низ- кий уровень на RD, вы- сокий на WR) или пе- редачу (высокий уро- вень па RD, низкий на WR) в программном режиме обмена.
сбоев.
Сигнал RST (сброс - reset) инициализирует микропроцессор в начале работы или после
В постоянном запоминающем устройстве ПЗУ целесообразно хранить неизменную
часть программного обеспечения, в ОЗУ, называемой в управляющих системахпамятью дан- ных - его переменную часть.
Программное обеспечение, состоит из ряда программ, выполняющих заданные функ- ции САУ и центрального ядра: диспетчера, обеспечивающего запуск требуемых процессов в нужные моменты; пультового монитора, поддерживающего процесс считывания и индикации информации с пульта; драйверов, поддерживающих обмен информацией с объектом и внеш- ней средой и других программ общего назначения.
Программы рабочих циклов хранятся в ОЗУ, чтобы их было можно изменить в целях обеспечения универсальности робота и возможности его работы на различных участках тех- нологической цепочки изготовления изделий. Рассмотрим учебный пример рабочей про- граммы. Она состоит из стартовой таблицы, размещаемой в началеОЗУ, под которую выделен фиксированный объем памяти. В этой таблице хранятся стартовые адреса рабочих программ.
Рабочая программа состоит из шагов, каждый из которых кодируется тремя словами - байтами. Первый байт содержит набор команд: каждая команда У кодируется соответствую- щим битом; второй байт содержит маску - требуемое состояние датчиков робота после ис- полнения заданных команд; в третьем байте закодирована задержка времени после отработки очередного шага. Заканчивается программа тремя нулевыми байтами.
САУ выполняет следующиефункции: 1 - выбор режима работы; 2 - программирование в режиме ручного управления; 3 - пошаговое исполнение; 4 - автоматическое исполнение за- прошенной программы цикла; 5 - диагностику причин при отказах; 6 - тестирование про- граммного обеспечения ПЗУ. Сюда можно также добавить связь с ЭВМ верхнего уровня для перепрограммирования рабочего цикла прямым доступом в память, сообщения об отказах и их причинах и др.
Режим программирования цикла при ручном управлении обеспечивает запись в ОЗУ конкретных шагов управляющих программ после их отработки по командам с пульта. Кроме программирования здесь производится сжатие информации в ОЗУ: заполнения пустых мест после удаления программ. Если для описания работы САУ на механической основе доста- точно было циклограммы, САУ нажесткой логике мы описывалиграфом переходов и табли- цей выходов, то для описания работы САУ на микропроцессорной основе нужны более мощ- ные средства, поскольку и возможности системы гораздо шире. Работу микропроцессорных САУ описывают алгоритмами различной степени детализации.
1
Автоматический
режим
6
Опрос
И1
i:=i+1
2
Опрос и вычисление
Х1*Х2*Х3
8
Отказ
нет
7
i>i_max?
да
нет
3
Х1*Х2*Х3?
да
4
"И1, Маска"
9
И1=Маска?
да
10
нет
6
Опрос номера и пере-
ход к программе Nпр
Задержка
5
Выдать слово
команд
11 нет
Конец?
да 5
12
6
Рис. 1.13
В диспетчер
Схема алгоритма режима автоматического исполнения приведена на рис. 1.13. Вначале присутствует цикл выявления годного кинескопа на позиции загрузки, затем по заданному номеру программы(№3) находится стартовый адрес М и следует пошаговоеисполнение про- граммы рабочего цикла. Если состояние датчиков не будет соответствовать требуемому (мас- ке) после определенного числа циклов опроса - следует сообщение оботказе, выдача маски и состояния датчиков. Эта информация выявляет отказавший датчик или привод. После отра- ботки шага следует задержка на заданное в программе время, проверка на три нулевых байта (признак конца), окончание цикла или переход к следующему шагу.
Особенность программного обеспечения систем управления на основе микропроцессо- ров заключается в том что работа системы описывается как взаимодействие параллельно протекающих и взаимодействующих между собойпоследовательных процессов илипотоков. Подробнее состав управляющих программ и связанная с этим терминология и понятия будут рассмотрены в разделе 1.4.
З. САУ на однокристальных микроконтроллерах.
Типовой однокристальный микроконтроллер в одной БИС содержит вычислительное ядро, тактовый генератор, память программ и данных, программируемые таймеры, приемо- передатчик по последовательному каналу, средства формирования и поддержки внешних шин и программируемые порты для контроля и управления объектом. Это практически за- конченная микроЭВМ.
Конечно, возможности схемы гораздо скромнее, чем у микроЭВМ на универсальном микропроцессоре; но и ихслихвой достаточно чтобы сделать САУдляпростого робота, вро- де рассмотренного нами, а стоимость системы будет на порядок меньше при одновременном увеличении надежности. Наработка однокристальных микроконтроллеров на отказ составля- ет десятки тысяч часов.
Структурная схема САУ приведена на рис. 1.14. Здесь использован однокристальный микроконтроллер К1816ВЕ51 с ОЗУ в 128 байт и РПЗУ в 4КБ. Конечно, ОЗУ очень мало, не-
сколько
программ
управления придется
ПрУ
RxD
ТxD
ШУ
МK
P0 ШД
P2 ША
БСО У1
ФК У2
У3
У4
У5
X1
СУ X2
X3
X4
X5
X6
X7
X8
X9
разместить в РПЗУ и отказаться от опера- тивного перепрограммирования, но все остальные функции можно оставить даже в таком минимальном аппаратном испол- нении. Сигналы с датчиков приходят в порт Р0, с порта Р1 снимаются сигналы на формирователь команд ФК, к порту Р2 подключен пульт управления, а микро- контроллер осуществляет его анализ и индикацию. К входам С1 и С2 подклю- чен кварцевый резонатор, обеспечиваю-
Последовательный канал связи
Рис.
1.14.
КПУ ПУ
щий стабильную работу внутреннего так- тового генератора.
* * *
Как видно из рассмотренного ма- териала, для САУ робота перегрузки ки- нескопов мы предложили 8 принципи-
ально различных
вариантов
аппаратной
реализации,
применявшихся
ранее и
применяемых
в настоящее
время. Могли
бы и далее рассматривать
перспективные
варианты,
например, САУ
на
программируемых
логических
контроллерах
ПЛК,
САУ
на
универсальных
контроллерах
клона РС
или промышленных
компьютерах
и т.д.
Сдерживает нашу фантазию только не достаточное знание элементной базы. Каждый вариант может реализовать различные целевые функции по реализации рабочего цикла, сер- висные функции, направленные на наилучшую организацию целевой функции и функции коррекции цели.
По реакции на входные воздействия система управления может представлять из себя комбинационную логическую схему КЛС либо последовательностную схему, когда выход определен не только входными сигналами, но и прошлым состоянием системы.
Описать работу САУ можно циклограммой, если она реализует синхронные циклы управления, автоматным графом либо блок-схемой алгоритма управления.
Задача инженера-механика уже на первых этапах определить функции и элементную базу САУ проектируемой машины или системы машин, с тем, чтобы заложить в ее структур- но-компоновочное решение возможности полной реализации этих функций.
Вопросы к экзамену.
Вариантность построения САУ роботом: механические, пневмомеханические и электро-пневмо-механические САУ. Реализуемые функции, методы описания работы.
Вариантность построения САУ роботом: САУ на жесткой логике (контактно-релейные САУ). Реализуемые функции, методы описания работы.
Вариантность построения САУ роботом: САУ со штекерной панелью. Реализуемые функции, методы описания работы.
Вариантность построения САУ роботом: САУ с памятью. Реализуемые функции, методы описания работы.
Вариантность построения САУ роботом: микропроцессорные САУ. Реализуемые функции, методы описания работы.
Функции и построение программного обеспечения микропроцессорной САУ управления роботом.
Вариантность построения САУ роботом: САУ на однокристальных микроконтроллерах. Реализуемые функции, методы описания работы.
Обзор способов описания работы САУ: циклограммы, автоматные графы, блок-схемы алгоритмов, описание последовательными процессами.