Разработка технологического процесса изготовления детали

Если система не испытывает внешних возмущений, то через некоторое время регулируемая величина стабилизируется на заданном значении, сигнал пропорциональной составляющей будет равен нулю, а выходной сигнал будет полностью обеспечивать интегральная составляющая. Тем не менее, интегральная составляющая также может приводить к автоколебаниям.

Дифференциальная составляющая пропорциональна темпу изменения отклонения регулируемой величины и предназначена для противодействия отклонениям от целевого значения, которые прогнозируются в будущем. Отклонения могут быть вызваны внешними возмущениями или запаздыванием воздействия регулятора на систему.

Назначение ПИД-регулятора - в поддержании заданного значения x₀ некоторой величины x с помощью изменения другой величины u. Значение x₀ называется заданным значением, а разность e=(x₀?x) - невязкой, рассогласованием или отклонением величины от заданной.

Выходной сигнал регулятора u определяется тремя слагаемыми:

u(t)=P+I+D=K_p·e(t)+K_i·K_d·, (6.1)

где

К_p, К_i, К_d - коэффициенты усиления пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих регулятора, соответственно.

Большинство методов настройки ПИД-регуляторов используют несколько иную формулу для выходного сигнала, в которой на пропорциональный коэффициент усиления умножены также интегральная и дифференциальная составляющие:

u(t)=K_p·(e(t)+K_pi·K_pd·.

Для обеспечения желаемого качества переходного процесса по частоте вращения якоря двигателя постоянного тока электропривода исполнительного механизма средствами пакета MatLab был произведен синтез ПИД-регулятора частоты вращения якоря двигателя (блок Transfer Function на рисунке 6.2), имеющего передаточную функцию вида:

W_ПИД(p)=,

где

Kp - коэффициент пропорциональной составляющей ПИД-регулятора;

Ki - коэффициент интегральной составляющей ПИД-регулятора;

Kd - коэффициент дифференциальной составляющей ПИД-регулятора.

Для этого в был введен блок Signal Constraint (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 - Модель электропривода постоянного тока исполнительного механизма с обратной связью по скорости в MatLab

В блоке Signal Constraint были заданы следующие показатели качества переходного процесса:

перерегулирование не более 13,5%;

время регулирования не более 0,6с;

установившаяся ошибка не более 0,5%).

В результате выполнения поискового алгоритма были получены следующие значения коэффициентов регулятора:

Kp=321,667;

Ki=10^-4;

Kd=36,834.

Полученный переходный процесс по частоте вращения якоря двигателя постоянного тока с найденными коэффициентами ПИД-регулятора представлен на рисунке 6.3. Переходный процесс полностью укладывается в ограничения, накладываемые желаемыми показателями качества, указанными выше.

Рисунок 6.3 - Переходный процесс по частоте вращения якоря двигателя

Далее было выполнено моделирование разгона электропривода до номинальной частоты вращения (1500 об/мин), наброс нагрузки в виде момента величиной 3,5 Н·м, и торможение электропривода.

Добавим в схему на рисунке 6.2 обратную связь по положению исполнительного механизма и ПИД-регулятор, осуществляющий компенсацию ошибки по положению. Полученная модель электропривода постоянного тока исполнительного механизма изображена на рисунке 6.4.

Рисунок 6.4 - Модель электропривода постоянного тока исполнительного механизма с обратной связью по положению в MatLab

В блоке Signal Constraint были заданы следующие показатели качества переходного процесса:

перерегулирование не более 0%;

время регулирования не более 1,0с;

установившаяся ошибка не более 1%).

В результате выполнения поискового алгоритма были получены следующие значения коэффициентов регулятора:

Kp=267,6715;

Ki=0;

Kd=30,989.

Полученный переходный процесс по углу поворота якоря двигателя постоянного тока с найденными коэффициентами ПИД-регулятора представлен на рисунке 6.5. Переходный процесс полностью укладывается в ограничения, накладываемые желаемыми показателями качества, указанными выше.

Рисунок 6.5 - Переходный процесс по углу поворота якоря двигателя

Далее было выполнено моделирование разгона поворота якоря двигателя постоянного тока электропривода исполнительного механизма на 20·р рад. Результаты моделирования приведены плакате 2204.780100.002Д.

Задание угла поворота Alfa_ref моделировалось импульсной функцией с амплитудой 20·р рад, нулевой начальной фазой и длительностью 1 с. Момент нагрузки моделировался импульсной функцией с амплитудой 3,5 Н·м, начальной фазой 144° и длительностью 0,8 с. Как видно на плакате время поворота якоря двигателя на заданный угол составляет 1 с, просадка частоты вращения при набросе нагрузки не превышает 0,5%, что говорит о хороших динамических свойствах электропривода с синтезированным ПИД-регулятором. На плакате также представлены переходные процессы по току якоря двигателя, току возбуждения и электромагнитному моменту, развиваемому двигателем.

6.2 Синтез регулятора системы управления электропривода мехатронного модуля

Произведем моделирование работы электропривода мехатронного модуля на базе электропривода переменного тока в программе MatLab 6.5. В этой программе структурная схема привода лабораторного стенда будет иметь вид как на рисунке 6.6.

Для обеспечения желаемого качества переходного процесса по угловой скорости вращения ротора асинхронного двигателя привода мехатронного модуля средствами пакета MatLab был произведен синтез ПИД-регулятора угловой скорости вращения ротора асинхронного двигателя, имеющего передаточную функцию вида:

W_пид(p)=,

где

K_p - коэффициент пропорциональной составляющей ПИД-регулятора;

K_i - коэффициент интегральной составляющей ПИД-регулятора;

K_d - коэффициент дифференциальной составляющей ПИД-регулятора.

Рисунок 6.6 - Модель привода мехатронного модуля в MatLab

В блоке Signal Constraint были заданы следующие показатели качества переходного процесса:

перерегулирование не более 20%;

время регулирования не более 0,2с;

установившаяся ошибка не более 0,5%.

В результате выполнения поискового алгоритма были получены следующие значения коэффициентов регулятора:

K_p=2081,7;

K_i=0,0146;

K_d=51,6156.



6.3 Разработка варианта технической реализации

Выбор управляющих устройств.

Для управления всеми асинхронными двигателями, которые установлены на мехатронном устройстве, предлагается использовать преобразователь частоты серии ЭПВ, производства Научно-Технического Центра Электропривода "Вектор" /9/ (рис. 6.7).

Данная серия выпускается в четырех исполнениях:

- для механизма перемещения предлагается использовать преобразователь второго исполнения - преобразователи с векторным управлением, предназначенные для широкодиапазонного (не менее 1000:1) высококачественного асинхронного электропривода различных производственных механизмов, в том числе механизмов главного движения и подачи металлорежущих станков с ЧПУ и промышленных роботов;

Рисунок 6.7 - Внешний вид комплектного привода

Данные преобразователи частоты идут в комплекте с асинхронными двигателями, в которые встроены датчик скорости/положения и электромагнитный тормоз, что упрощает монтаж систем управления механизмами перемещения.

Конструкция преобразователей - моноблок настенного монтажа и одностороннего обслуживания со степенью защиты IP20 (блок защищается от проникновения твердых тел размером свыше 12 мм, защита от проникновения воды отсутствует). Различные исполнения интерфейсной платы обеспечивают подключение датчиков скорости/положения с различными типами сигналов: импульсных, синусно-косинусных.

Благодаря предельно низким статическим и динамическим потерям и низкой мощности цепей управления обеспечен очень высокий к.п.д. преобразователя.

Конструкция состоит всего из нескольких элементов: несущего радиатора с установленными на него вентиляторами, силовой, процессорной и интерфейсной плат и защитного пластикового корпуса.

Подключения всех силовых цепей выполняются на одном клеммнике силового блока, удобно сгруппированном и имеющем четкую маркировку. Источник питания цепей управления подключен непосредственно к DC-шине и отдельного подключения не требует. Управляющие сигналы сгруппированы по назначению на разъемах и клеммниках интерфейсной платы.

Рисунок 6.8 - Плата преобразователя

Рисунок 6.9 - Общий вид пульта управления преобразователя частоты

С помощью пульта управления выполняются процедуры просмотра и редактирования параметров электропривода, запуск и контроль режимов его работы.

Структура информации, отображаемой на ЖК-дисплее:

В верхней строке - строке индикации состояния - отображаются флаги защит, обменных сигналов и режимов работы электропривода.

В нижней строке - строке индикации параметра - отображаются параметры электропривода, переменные и заголовки меню.

Рисунок 6.10 - Структура информации на дисплее пульта управления

Режимы работы пульта управления:

Возможна работа с пультом управления в следующих режимах:

* режим выбора и просмотра параметра,

* режим редактирования параметра,

* режим управления пуском/остановкой двигателя.

В режиме выбора и просмотра параметра пользователь имеет возможность просматривать параметры текущего меню, а также переходить к просмотру параметров на выше- и ниже- стоящие уровни меню.

В режиме редактирования параметра пользователь имеет возможность изменять текущее значение выбранного параметра. При переходе в режим редактирования изображение значения параметра начинает мигать.

В режиме управления пуском/остановом двигателя пользователь имеет возможность разблокировать/заблокировать преобразователь и запустить/остановить двигатель.

Назначение кнопок клавиатуры:

Кнопки клавиатуры пульта управления обозначены следующими символами (рисунок 6.9):

- кнопка «Вверх/Увеличить»,

- кнопка «Вниз/Уменьшить»,

СБРОС - кнопка «Сброс/Возврат»,

РЕЖИМ/ВВОД - кнопка «Режим/Ввод».

Назначение кнопок зависит от режима работы пульта управления.

В режиме выбора и просмотра параметра:

* Кнопка «» - переход к просмотру предыдущего параметра текущего меню. При этом в строке индикации параметра будет отображаться значение этого параметра.

* Кнопка «» - переход к просмотру следующего параметра текущего меню. При этом в строке индикации параметра будет отображаться значение этого параметра.

Кнопка «Режим/Ввод» в данном режиме выполняет две функции:

* для редактируемых параметров нажатием кнопки вызывается режим редактирования, при этом поле значения параметра начинает мигать. Недоступные для редактирования параметры не изменяют своего состояния - переход в режим редактирования не происходит;

* для заголовков меню кнопка «Режим/Ввод» служит для входа в выбранное меню, после ее нажатия в строке индикации параметра будут отображаться параметры данного меню.

* Нажатие кнопки «Сброс» вызывает переход (возврат) из текущего меню к меню более высокого уровня.

В режиме редактирования параметра:

* Кнопка «» - увеличение значения параметра, выбор предыдущего значения параметра из списка.

* Кнопка «» - уменьшение значения параметра, выбор следующего значения параметра из списка.

Кнопка «Режим / Ввод» в этом режиме служит для установки отредактированного значения параметра в качестве нового и перехода в режим выбора и просмотра параметра.

* Кнопка «Сброс» - отмена результата редактирования параметра и переход в режим выбора и просмотра параметра.

В режиме управления пуском/остановом двигателя:

* Одновременное нажатие кнопок «Режим/Ввод» и «» позволяет разблокировать преобразователь и произвести пуск двигателя в соответствии со сформированным заданием.

* Одновременное нажатие кнопок «Режим / Ввод» и «» позволяет остановить двигатель с заданной интенсивностью и заблокировать преобразователь.

Преобразователь содержит следующую защиту:

- максимально-токовая защита преобразователя (в том числе от замыкания выходных фаз между собой и на землю);

- защита от пропадания питания цепей управления;

- защита от сбоев программного обеспечения;

- защита от недопустимого превышения напряжения питающей сети;

- защита от недопустимого понижения напряжения питающей сети;

- защита от аварии узла сброса энергии;

- защита от несоответствия скорости заданной (в том числе от ошибок подключения датчика);

- температурная защита преобразователя;

- температурная защита двигателя (при наличии встроенного датчика температуры);

- время - токовая защита двигателя.

Программно реализованная структура системы управления позволяет работать в замкнутом контуре регулирования скорости или момента. Минимальный полный цикл расчета контура скорости 100 мкс, контура момента - 50 мкс. Интеллектуальные функции реализуются в виде программных опций:

- Режим автоматического определения параметров двигателя и расчета параметров регуляторов существенно упрощает процедуру настройки системы векторного управления;

- Алгоритм автоматического перерасчета параметров регуляторов позволяет оптимизировать соотношения между параметрами регуляторов при изменении одного из них, что облегчает настройку замкнутых контуров регулирования и снижает вероятность ошибок;

- Режим адаптации к изменению постоянной времени роторной цепи обеспечивает нечувствительность характеристик привода к изменению температуры двигателя в процессе работы;

- Режим адаптации к механической части обеспечивает нечувствительность характеристик привода к изменению нагрузочного момента и момента инерции.

Все параметры имеют разумные диапазоны изменения и дискретность, а также значения по умолчанию, установленные на заводе, к которым всегда можно вернуться.

Стандартная документация для всех типоразмеров содержит подробные инструкции по подключению, вводу в эксплуатацию, настройкам и различным случаям применения.

Входные сигналы:

- 4 изолированных аналоговых;

- 12 программируемых изолированных логических входов;

- Встроенный изолированный источник постоянного напряжения 24 В, 40 mA (24VI).

Выходные сигналы:

- 4 изолированных программируемых транзисторных выхода;

- 2 программируемых релейных выхода;

- Коммуникационные порты RS-232/485 предназначен для подключения ЭВМ при загрузке и модификации программного обеспечения.

- Функции программирования могут выполняться с помощью пульта ручного управления или ЭВМ через коммуникационный порт.

- Программирование аналоговых входов. Настраивается диапазон и нулевой уровень управляющего сигнала. Программируются параметры цифровой фильтрации.

- Программирование параметров датчика скорости/положения. Определяется тип сигнала, число периодов на оборот.

- Программирование структуры и параметров системы управления.

Основными параметрами для выбора преобразователя являются:

- напряжение питания;

- номинальная выходная мощность;

- номинальный выходной ток.

Определим номинальный ток, потребляемый электродвигателями по формуле:

I_ном=,

где

Р_НОМ - номинальная мощность потребляемая двигателем, Вт;

U_НОМ - номинальное напряжение питания, В;

cosц - косинус двигателя;

з - номинальный КПД двигателя.

На основании формулы (6.1) получим:

- ток двигателя перемещения мехатронного устройства - 0,025 А

- ток двигателя перемещения тележки - 0,01 А.

Т.к. на приводе перемещения установлены два двигателя их номинальные токи складываются, и на основании этого числа выбирается преобразователь. Данное действие допустимо в связи с тем, что разрешается подключение нескольких двигателей работающих в одном технологическом цикле к выходу преобразователя при достаточной выходной мощности последнего.

По каталогу НТЦ Электропривода «Вектор» выбираем преобразователи следующих типоразмеров:

Таблица 6.3 - Параметры преобразователя

Номинальная выходная мощность	кВ·А	3,3
Типовая мощность двигателя для исполнений 2	кВт	1,5
Напряжение питания	В	380 +10/-15%
Частота напряжения питания	Гц	48..63
Выходное напряжение	В	0…входное напряжение
Выходная частота	Гц	0..400
Номинальный выходной ток IНОМ (действ.)	А	5
Максимальный выходной ток IMAX (действ.)2	А	6,5
Ток срабатывания защиты IМТЗ (абсолютное значение)	А	12
Максимальный ток торможения	А	10
Рабочий диапазон температур окружающей среды 4	ОС	0..+40

Для решения задач мехатронного устройства выбираем микроконтроллер PIC18F622 фирмы Microchip Inc /10/.

Корпус микроконтроллера PIC18F622 с указанием назначения выводов показан на рисунке 6.11.

Рисунок 6.11 - Корпус микроконтроллера PIC18F622 с указанием назначения выводов



Рисунок 6.12 - Структурная схема микроконтроллера PIC18F622

Микроконтроллер PIC18F622 - высокоскоростной RISC микроконтроллер с полностью статичной архитектурой, выполненный по высокоэкономичной помехоустойчивой КМОП-технологии.

Микроконтроллер имеет 13-уровневый аппаратный стек программ и 28 источников внутренних и внешних прерываний. В гарвардской архитектуре RISC ядра микроконтроллера разделены 16-разрядная память программ и 8-разрядная память данных. Все команды состоят из одного слова (16 бит шириной) и исполняются за один машинный цикл (100 нс, при 40МГц), кроме команд ветвления, которые выполняются за два машинных цикла (200 нс.). Микроконтроллер включает в себя следующие периферийные устройства:

- 33 линии двунаправленного ввода-вывода;

- модуль TMR0: 8/16-разрядный таймер/счетчик с программируемым 8-разрядным предделителем;

- модуль TMR1:16-разрядный таймер/счетчик;

- модуль TMR2: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным регистром периода (основной для ШИМ);

- модуль TMR3:16-разрядный таймер/счетчик;

- вторичный генератор тактового сигнала на основе TMRWMR3;

- два модуля ССР;

- модуль ведущего последовательного синхронного порта (MSSP), включающий :

- 3-х проводной интерфейс SPITM (поддерживает 4 режима);

- I2CTM (ведущий и ведомый режим);

- 2 адресуемых модуля USART, поддержка интерфейса RS485 и RS232;

- модуль 10-разрядного ЦАП;

- программируемый детектор пониженного напряжения (PLVD).

Высокая нагрузочная способность линий ввода-вывода упрощает внешние драйверы и, тем самым, уменьшается общая стоимость системы. Ассемблер PIC18F622 достаточно прост и имеет 35 команд совместимых с семействами PIC16xxx и PIC17xxx

Характеристики микроконтроллера PIC18F622:

Диапазон рабочих температур, °С…55°С...+125

Диапазон температуры хранения, °С…65°С...+150

Напряжение на выводе V_dd относительно V_ss, В…0,3...+7,5

Напряжение на выводе MCLR относительно V_ss, В…0...+14

Общая максимальная рассеиваемая мощность, мВт…1000

Максимальный ток по выводу V_ss, мА…300

Максимальный ток по выводу V_dd, мА…250

Входной ток ограничения, (V_i<0 или V_i>V_oo), мА…±20

Выходной ток ограничения (V_o<0 или V_o>V_oo), мА……………….±20

Макс. выходной втекающий ток по любому разряду порта, мА….25

Макс. выходной вытекающий ток по любому разряду порта, мА…25

Макс. суммарный втекающий ток всех разрядов одного порта, мА..200

Макс. суммарный втекающий ток всех разрядов одного порта, мА..200

Максимальная тактовая частота, МГц…40

Память программ, кБайт…64

Память данных (ОЗУ), кБайт…2

Память данных (ЭППЗУ), кБайт…4

Модули таймеров…4

Источники прерываний…28

Разряды ввода/вывода…33

Диапазон напряжения питания, В…2,0-6,0

Тип корпуса….DIP 40

В качестве микросхем последовательного интерфейса выбираем специализированные микросхемы МАХ 232С. Внешний вид корпуса микросхемы МАХ232С с указанием назначения выводов приведен на рисунке 6.13.

Микросхема МАХ 232С представляет собой двухканальный приемо-передатчик сигналов последовательного интерфейса RS232. Она предназначена для преобразования уровней выходного напряжения сигнала с микроконтроллера (лог «0» - до 0,8 В, лог «1» от 1,5 В) в уровни сигналов RS232 (двуполярное напряжение10 В с усилением мощности сигнала). Преобразование однополярного напряжения сигнала со входов в двуполярное 610 В, при напряжении питания +5В, осуществляется при помощи внешних конденсаторов емкостью не менее 0,1 мкФ (С1-С4 на рисунке 6.14), подключенных к выводам 1-6 микросхемы.

Рисунок 6.13 - Внешний вид корпуса микросхемы МАХ 232С с указанием назначения выводов

Структурная схема микросхемы МАХ 232С приведена на рисунке 6.14.



Рисунок 6.14 - Структурная схема микросхемы МАХ 232С

Характеристики микросхемы МАХ 232С:

Напряжение питания, V_сс, B…от -0,3 до +6

Максимальное выходное напряжение:

на выводе Т_out, В…15

на выводе R_out, В.от -0,3 до 6,3

Максимальное входное напряжение:

на выводе Т_IN , В….от -0,3 до +5,7

на выводе R_IN, В…30

Диапазон рабочих температур, ^оС….от -40 до +85

Максимальная скорость передачи данных, кБод/с….120

В качестве аналогового коммутатора выбираем микросхему 590КН1 -аналоговый мультиплексор 8 линий в одну, - условное графическое обозначение которой изображено на рисунке 6.15.

Рисунок 6.15 - Условное графическое обозначение микросхемы 590КН1

Назначение выводов микросхемы 590КН1:

I0-I7 - аналоговые входы (выходы);

Out - аналоговый выход (вход);

A,B,C - адрес (выбор соединения);

En - разрешение: E_n=L - выход изолирован от входов; E_n=H - выход соединен с адресуемым входом;

6.4 Разработка алгоритма управления мехатронного устройства

Рабочий цикл мехатронного устройства состоит из трех основных операции: перемещения мехатронного устройства, перемещения тележки и подъема груза. Технологический цикл работы мехатронного устройства начинается с включения питания (блок 2) и проверки систем защиты (блок 3). После проверки включается один из двигателей мехатронного устройства: двигатель перемещения мехатронного устройства (блок 4), двигатель подъема груза (блок 9), двигатель перемещения тележки (блок 14). При не выполнении этого условия система переходит в начальное состояние и ожидает включение одного из двигателей.

Рисунок 6.16 - Алгоритм работы мехатронного устройства



6.5 Выбор датчиков

6.5.1 Для корректного перемещения мехатронного устройства и тележки следует использовать высокоточные датчики

Поэтому в качестве датчиков расстояния выбираем лазерный датчик Acuity AR1000 /11/.

Обзор выходов для передачи данных:

- Стандартный последовательный выход RS-232;

- Дополнительный последовательный выход RS-422;

- Дополнительный аналоговый выход;

- SSI и Profibus.

Рисунок 6.17 - Общий вид датчика Acuity AR1000

Технические характеристики:

Диапазон измерений, м…0,1-150

Точность измерений, мм…±2,5

Частота измерений, Гц ….50

Разрешение, мм…0,1

Размер лазерного пятна , мм…5,1

Тип лазера…2

Питание…10-30 В, 50-150 мА

Рабочие температуры, °С…-10...50

Вес (без кабеля), г…850

Пыле- влагозащита…IP67

Длина кабеля, м2

6.5.2 Линейная скорость подвижного звена может быть определена из угловой скорости ротора двигателя

Для ее измерения целесообразно использовать фотоимпульсный датчик щелевого типа, поскольку он имеет простую конструкцию и может быть встроен в мехатронный модуль.

Фотоимпульсный датчик угловой скорости (рисунок 6.18) представляет собой устройство, состоящее из источника излучения (светодиода), фотоприемника (фотодиода) и кодировочного диска с равномерно распределенными на нем отверстиями или прорезями. Диск крепится на подвижном элементе мехатронного модуля (в данном случае - на роторе электродвигателя).

Рисунок 6.18 - Фотоимпульсный датчик угловой скорости

Световой поток от источника излучения 1, проходя через отверстия или прорези в диске 2, попадает на чувствительную поверхность фотоприемника 3, генерируя в нем электрические импульсы с частотой.

В спроектированном мехатронном устройстве используются щелевые фотоимпульсные датчики HOA1874 фирмы Honeywell /12/ со следующими характеристиками:

Тип изделияинфракрасный переключатель

Выход транзисторный

Прямой ток, мА 20

Постоянный прямой ток, мА 50

Прямое напряжение, В 1,6

Обратное напряжение пробоя, В 3

Обратный ток, мкА 10

Время включения-выключения, мкс 15

Рассеиваемая мощность, мВт 100

Диапазон рабочих температур, ^оC -40…+85

Постоянный ток коллектора, мА 30

Напряжение пробоя коллектор-эмиттер, В 30

Напряжение пробоя эмиттер-коллектор, В 5

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер, В 0,4

Диаметр отверстия датчика, мм 1,52

Ширина щели, мм3,05

В качестве датчиков конечного положения в конструкции вертикальной колонны выбираем емкостные цилиндрические датчики бесконтактного типа серии CR, модель CR30-15DP /13/. Данные датчики при простоте конструкции обеспечивают высокую надежность и продолжительный цикл работы. Защищенный от влияний окружающей среды датчик так же не требователен к чистоте объекта управления, тем самым обеспечивая работоспособность даже в условиях повышенной загрязненности, которая бывает на производстве. Датчик имеет следующие технические характеристики:

Диапазон номинальных напряжений питания, В 2-24

Потребляемый ток, мА 15

Выход, мА 200

Температура окружающей среды, ^оС -20- +70

Масса, гр212

Частота отклика, Гц 50

Зона чувствительности, мм 15±10%

Длинна кабеля, м 2

Степень защиты IP66

Рисунок 6.19 - Датчик конечного положения CR30-15DP

В губки схвата встраиваются индуктивные датчики положения и наличия объекта IIS 205 /14/.

Технические характеристики:

Рабочее напряжение, В.10-36

Наибольшая допустимая нагрузка на выходе, мА.100

Падение напряжения внутри датчика, В<2,5

Потребление тока при 24 В, мА<10

Реальный интервал переключений, мм.22±10%

Рабочий интервал, мм…0-17,6

Частота переключений, Гц100

Степень защиты IP67

Рисунок 6.20 - Индуктивный датчик IIS 205



7. Разработка функциональной схемы системы управления мехатронного устройства для автоматической подачи заготовок во фрезерные станки серии GSM

На листе 2204.780100.000Э2 изображена функциональная схема системы управления мехатронного устройства для автоматической подачи заготовок во фрезерные станки серии GSM. Она содержит модуль центрального микроконтроллера (ЦМК), к которому подключены:

- блоки управления широтно-импульсными преобразователями через интерфейс RS232;

- блоки питания через стабилизатор напряжения;

- датчики скорости и наличия трубы через узел гальванической развязки;

- лазерные датчики положения через интерфейс RS232;

- датчики конечного положения через мультиплексор аналоговых сигналов;

- ЭВМ верхнего уровня управления через интерфейс RS232.

Для связи с ЭВМ верхнего уровня предусмотрен интерфейс связи RS232, через который осуществляется обмен управляющей информацией данными между ЦМК и ЭВМ верхнего уровня управления при помощи сигналов «RxD», «TxD».

ЦМК также имеет энергонезависимую память для хранения программ и параметров текущего режима работы системы управления, а также стабилизатор тактовой частоты для синхронизации работы своих внутренних блоков и внешних устройств.

В схеме используются два стабилизированных источника питания на напряжение «+5» и «+10» для питания ЦМК и внешних устройств.



8. Разработка схемы электрической принципиальной модуля центрального микроконтроллера системы управления мехатронного устройства для автоматической подачи заготовок во фрезерные станки серии GSM

Схема электрическая принципиальная модуля центрального микроконтроллера системы управления мехатронного устройства для автоматической подачи заготовок во фрезерные станки серии GSM представлена на листе 2204.780100.000Э3 графической части дипломного проекта.

Схема составлена на основе функциональной электрической схемы.

Она содержит 10 цифровых устройств:

- DD1, DD5, DD8…DD10 - микросхемы МАХ232С;

- DD2 - микросхема 74HC14 - 6 триггеров Шмидта с инверсными выходами;

- DD3, DD4 - микросхемы 16R8 для обработки сигналов с датчиков скорости левого и правого колес;

- DD6 - микросхема X2402 - энергонезависимая память;

- DD7 - микроконтроллер PIC18F628.

Таким образом, получен модуль центрального микроконтроллера системы управления пожарного робота, который имеет небольшие габариты и массу, высокую надежность, достаточное быстродействие и объем памяти, возможность связи с ЭВМ верхнего уровня управления, низкий уровень энергопотребления.



9. Безопасность и экологичность проекта

9.1 Характеристика мехатронного устройства для автоматической подачи заготовок во фрезерные станки серии GSM в соответствии с нормативными требованиями производственной безопасности

В дипломном проекте «мехатронное устройство для автоматической подачи во фрезерные станки серии GSM» рассматривается способ автоматизации технологического процесса обработки деталей. В теории данное мехатронное устройство применимо практически к любому типу оборудования, позволяющего доступ к рабочему столу сверху. Однако экспериментальные работы проводятся в лабораторных условиях на фрезерном обрабатывающем центре GSM 2000S.

Работа мехатронного устройства является автоматизированной, однако возможно управление устройством с помощью оператора.

Опасными и вредными производственными факторами (ОПВФ) /15/ транспортировки деталей в процессе фрезерной обработки, являются: шум, вибрация и поражение электрическим током. Психофизиологические, химические и биологические ОПВФ отсутствуют.

9.1.1 Влияние шума на организм человека

Шумом принято называть нежелательное для восприятия органами слуха человека беспорядочное сочетание звуков различной частоты и интенсивности.

Источниками шума являются все тела, находящиеся в состоянии колебаний (воздух, вода, металл и т.п.).

Уровень шума и фактор времени имеют решающее значение. Степень раздражающего воздействия зависит и от того, на сколько шум превышает привычный окружающий фон, какова заключенная в нем информация.

Влияние производственного шума на организм человека также может сопровождаться развитием профессиональных заболеваний. Длительное воздействие шума на человека может привести к частичной, а иногда значительной потере слуха -- профессиональной тугоухости и оказывать глубокое воздействие на весь организм человека. Уже при шуме 130 дБ человек испытывает болевые ощущения. Шум в 150 дБ для человека, непереносим, а в 190 дБ вырывает заклепки из металлических конструкций. Шум, обладая кумулятивными качествами, накапливаясь в организме, оказывает вредное воздействие в первую очередь на центральную нервную и сердечно-сосудистую системы. Шум - источник и причина многих-заболеваний и функциональных расстройств. Как показали результаты медико-биологических исследований, каждый" децибел шума сверх допустимой нормы снижает производительность труда на один процент, увеличивает риск потери слуха на полтора процента и на полпроцента -- риск сердечно-сосудистых расстройств /16/.

Шум является причиной снижения работоспособности, ослабления памяти, внимания, остроты зрения, чувствительности к предупредительным сигналам.

9.1.2 Электробезопасность

Электробезопасность -- система организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного воздействия электрического тока, электрической дуги, электромагнитного поля и статического электричества.

Электрические установки, используемые на производстве, представляют большую потенциальную опасность. Кроме поражения людей электрическим током нарушение режима работы электроустановок может сопровождаться в отдельных случаях возникновением пожара или взрыва.

Опасность поражения инженеров-программистов электрическим током специфична и усугубляется еще тем, что она не может быть обнаружена органами чувств человека: зрением, слухом, обонянием.

Анализ статистических данных показывает, что электротравматизм в общем балансе травматизма на производстве не высок -- всего 0,5...1%. Однако по числу случаев со смертельным исходом электротравматизм занимает одно из первых мест, достигая в отдельных отраслях 30...40%. При этом до 80% случаев со смертельным исходом приходится на электроустановки напряжением 127...380 В.

Причины несчастных случаев от электрического тока многочисленны и разнообразны. Основными из них являются:

1) случайное прикосновение к открытым токоведущим частям, находящимся под напряжением. Это может происходить, например при производстве каких-либо работ вблизи или непосредственно на частях, находящихся под напряжением: при неисправности защитных средств, посредством которых пострадавший прикасался к токоведущим частям; при переноске на плече длинномерных металлических предметов, которыми можно случайно прикоснуться к неизолированным электропроводам, расположенным на доступной в данном случае высоте;

2) появление напряжения на металлических частях электрооборудования (корпусах, кожухах, ограждениях и т.п.), которые в нормальных условиях не находятся под напряжением. Чаше всего это может происходить вследствие повреждения изоляции кабелей, проводов или обмоток электрических машин и аппаратов, приводящего, как правило, к замыканию на корпус;

3) электрическая дуга, которая может образоваться в электроустановках напряжением свыше 1000 В между токоведущей частью и человеком при условии, если человек окажется в непосредственной близости от токоведущих частей;

4) возникновение шагового напряжения на поверхности земли при замыкании провода на землю или при стекании тока с заземлителя в землю (при пробое на корпус заземленного электрооборудования);

5) прочие причины, к которым можно отнести такие, как: несогласованные и ошибочные действия персонала, оставление электроустановок под напряжением без надзора, допуск к ремонтным работам на отключенном оборудовании без предварительной проверки отсутствия напряжения и неисправности заземляющего устройства и т.д.

Основными мерами по устранению рассмотренных выше причин поражения током и обеспечивающими защиту обслуживающего персонала являются:

- обеспечение недопустимости токоведущих частей, находящихся под напряжением, для случайного прикосновения. С этой целью токоведущие части необходимо располагать, на недоступной высоте, широко применяется ограждение и изоляция токоведущих частей;

- применение защитного заземления и зануления электроустановок;

- автоматическое отключение, применение пониженного напряжения, двойной изоляции и др.;

- применение специальных защитных средств -- переносных приборов и приспособлений, средств индивидуальной защиты;

- четкая организация безопасной эксплуатации электроустановок.

Состояние окружающей среды также сказывается на механизме поражения. Присутствие в воздухе помещения ряда производств химически активных и токсичных газов, попавших в организм человека, снижает электрическое сопротивление его тела. Во влажных и сырых помещениях происходит увлажнение кожи, что в значительной степени снижает ее сопротивление.

При работе в помещениях с высокой температурой окружающей среды кожа нагревается и происходит усиленное потовыделение, при этом электропроводимость кожи увеличивается.

Влияние состояний окружающей среды учитывается классификацией помещений (ПУЭ) по опасности поражения людей электрическим током /20/.

9.2 Обеспечение безопасных условий эксплуатации мехатронного устройства для автоматической подачи заготовок во фрезерные станки серии GSM

9.2.1 Снижение ОВПФ в источнике возникновения

При движении тележки по направляющим рельсам возможно возникновение шума, защититься от которого можно с помощью обрезинивания колёс тележки.

Специфика работы мехатронного устройства заключается в том, что направляющие рельсы расположены на потолке, что исключает прямые контакты с оператором. Однако, необходимо произвести заземление токоведущих частей конструкции, чтобы не допустить прохождения электрического тока по потолку.

Погрузочно-разгрузочные работы следует выполнять в соответствии с требованиями /17/, настоящего стандарта и государственных стандартов на отдельные виды производственных процессов, учитывающими особенности выполнения работ.

Выбор способов производства работ должен предусматривать предотвращение или снижение до уровня допустимых норм воздействия на работающих опасных и вредных производственных факторов путем:

- механизации и автоматизации погрузочно-разгрузочных работ;

- применения устройств и приспособлений, отвечающих требованиям безопасности;

- эксплуатации производственного оборудования в соответствии с действующей нормативно-технической документацией и эксплуатационными документами;

- применения знаковой и других видов сигнализации при перемещении грузов подъемно-транспортным оборудованием;

- правильного размещения и укладки грузов в местах производства работ и в транспортные средства;

- соблюдения требований к охранным зонам электропередачи, узлам инженерных коммуникаций и энергоснабжения.

При перемещении груза подъемно-транспортным оборудованием нахождение работающих на грузе и в зоне его возможного падения не допускается.

9.2.2 Защита от вибраций

В цеху металлообработки на оператора процесса могут воздействовать вибрации оборудования, в том числе в диапазоне низких частот. Низкочастотные вибрации вредны для организма человека, так как может наблюдаться явление резонанса с низкочастотными вибрациями внутренних органов человека, что может привести к ухудшению самочувствия и некоторым заболеваниям.

Для выполнения расчета /18/ необходимо определить: коэффициент эффективности виброизоляции К_эф(w), S_a, V_a, a_a - абсолютные величины амплитуд перемещения, скорости и ускорения гармонических колебаний сидения, средние квадратичные значения скорости V и ускорения а: ?(n), г(n) со среднегеометрической частотой n и логарифмический уровень б_v(n).

Вспомогательными величинами являются: масса подрессорной части сиденья с сидящим оператором m=mc+mn,

m=12+70=82 кг.

Соответственная угловая частота системы виброизоляции без демпфирования:

щ₀=,



щ₀==0,063 рад/с.

Относительное демпфирование:

в=B/2,

в=0,21/2=0,02.

Угловая частота:

щ=2рf,)

щ=2·3,14·4=25,12 рад/с.

Коэффициент щ/щ₀:

щ/щ₀=25,12/0,063=398,73.

Определение коэффициента виброизоляции.

Относительный коэффициент при виброизоляции подсчитывается по формуле:

м_s(щ/щ₀)=(щ/щ₀)²/,

м_s(щ/щ₀)=158985,61/= =158985,61/158984,61=1.

Абсолютный коэффициент передачи определяют по формуле:

м_u(щ/щ₀)=,(7.6)

м_u(щ/щ₀)===1.



Расчет коэффициента эффективности виброизоляции.

Коэффициент эффективности виброизоляции К_эф определяется по формуле:

K_эф=1.

Определение параметров вибрации.

Определяем амплитуды: S_a, V_a, a_a:

V_a=1·1,126=1,126,

a_a=1·25,12·1,126=28,28,

S_a=1/25,12·1,126=0,045.

Расчет нормативных параметров вибрации.

Частота f=4 Гц /18/ находится в октаве со среднегеометрической частотой 4 Гц. Находим среднее квадратичное значение V, а для октавы со среднегеометрической частотой n:

?(n)=V_a/1,41,

?(n)=1,126/1,41=0,79,

г(n)=a_a/1,41,

г(n)=28,28/1,41=20,05.

Логарифмический уровень (дБ) определяется по формуле:

б_v(n) = 20lg(?(n))/(5·10^-8),

б_v(n)=20lg(0,79/(5·10^-8))=144 дБ.

Расчет виброизоляции показал, что частота колебаний кресла оператора соответствует нормам безопасности и не вызывает опасного явления резонанса.

9.2.3 Требования эргономики

Специфика работы оператора мехатронного устройства имеет определенные особенности. Так, на человека воздействуют физиологические и психологические нагрузки, что повышает утомляемость и снижает работоспособность человека. Поэтому, важное значение приобретает соответствие рабочего места эргономическим нормам.

Рабочее место должно быть укомплектовано необходимой технологической и организационной оснасткой; работа на нем должна осуществляться в режимах и условиях, предусмотренных нормативно-технической документацией, в том числе в отношении освещения, микроклимата, шума и т.д.

Рабочая поза «сидя» имеет ряд преимуществ перед рабочим положением «стоя»: снижаются энергетические затраты организма человека, так как происходит расслабление отдельных групп мышц, наступает разгрузка работы сердечно-сосудистой системы, уменьшается нагрузка на мышцы, поддерживающие тело в равновесном состоянии, что способствует снижению утомления.

Для этой рабочей позы характерны и свои недостатки. К ним следует отнести ограничение возможности изменять положение тела при работе, уменьшение зоны досягаемости, а также снижение возможности прилагать большую физическую силу. Длительная работа в положении «сидя» ведет к изменениям межпозвоночных связей и искривлению позвоночника, к расслаблению мышц живота, спины, к появлению сутулости. Особенно неблагоприятно отражается на деятельности организма неправильная поза, что вызывает преждевременную усталость, способствует деформации отдельных частей тела и снижает работоспособность человека /19/.

9.2.4 Действия в чрезвычайных ситуациях

ЧС (авария) - внешне неожиданная, внезапно возникающая обстановка, характеризующаяся резким нарушением установившегося процесса или явления и оказывающая значительное отрицательное воздействие на ЖД людей, функционирование экономики, социальную сферу и природную среду.

Каждая ЧС имеет свою физическую сущность, свои, только ей присущие причины возникновения, движущие силы, характер и стадии развития, свои особенности воздействия на человека и среду его обитания. Катастрофа - авария, сопровождающаяся гибелью людей.

Классификация ЧС:

а) по причинам возникновения:

- стихийные бедствия (землетрясения, наводнения, селевые потоки, оползни, ураганы, снежные заносы, грозы, ливни, засухи и др.);

- техногенные катастрофы (аварии на энергетических, химических, биотехнологических объектах, транспортных коммуникациях при перевозке разрядных грузов, продуктопроводах и т.д.);

- антропогенные катастрофы (катастрофические изменения биосферы под воздействием научно-технического прогресса и хозяйственной деятельности);

- социально-политические конфликты (военные, социальные).

б) по масштабу распространения с учетом тяжести последствий:

- локальные; объектовые; местные; региональные; национальные и глобальные.

в) по скорости распространения опасности (темпу развития):

- внезапные; быстро распространяющиеся; умеренные; плавные "ползучие" катастрофы.

Основные последствия ЧС:

- разрушения; затопления; массовые пожары; химическое заражения; радиоактивные загрязнения (заражение); бактериальное (биологическое) заражение.

Масштаб последствий (ущерб) ЧС (количество заболеваний, травм, смертей, экономические потери и т. д.) является следствием взаимодействия многих факторов.

Основными причинами аварий и катастроф на объектах являются:

- ошибки, допущенные при проектировании, строительстве и изготовлении оборудования;

- нарушение технологии производства, правил эксплуатации оборудования, требований безопасности;

- низкая трудовая дисциплина;

- стихийные бедствия, военные конфликты.

Наиболее характерными последствиями аварий являются взрывы, пожары, обрушение зданий, заражение местности сильнодействующими ядовитыми и радиоактивными веществами.

В мехатронном устройстве присутствует опасность возгорания, но так как в устройстве используются электродвигатели, для тушения необходимо использовать углекислотные огнетушители ОУ-1.

9.3 Экологичность проекта

Мехатронное устройство не производит отходов, не имеет выбросов вредных веществ и не даёт излучения.

Мехатронного устройство может представлять опасность для окружающей среды только в случаях технического обслуживания и утилизации.

При техническом обслуживании в устройстве происходит замена масла, также происходит чистка устройства. При замене масла возможна утечка масла на пол и поэтому пол должен быть оборудован сточными канавами, защищёнными решётками.

Мехатронное устройство в процессе чистки протирается ветошью, которая в дальнейшем направляется в заводскую котельную для сжигания.

Так как мехатронное устройство практически полностью состоит из металла, при утилизации оно переплавляется в печах для дальнейшей реализации.

На стадии проектно-конструкторской разработки мехатронного устройства для автоматической подачи заготовок во фрезерные станки серии GSM выполнен анализ возможных ОПВФ. Наиболее значимыми факторами опасности в проектируемых условиях являются: шум, вибрация, поражение электрическим током.

С целью обеспечения безопасных и комфортных условий труда персонала выполнен расчёт вибрации.

Таким образом, можно заключить, что проектируемый мехатронное устройство для автоматической подачи заготовок во фрезерные станки серии GSM и технологический процесс в целом соответствуют требованиям производственной и экологической безопасности.



10. Экономическое обоснование дипломного проекта

10.1 Концепция бизнеса

Разрабатываемое мехатронное устройство применяется для автоматизации процесса обработки крупногабаритных деталей на ООО «КЗ «Ростсельмаш». Это устройство будет перемещать длинномерные трубы и швеллера на станке для обработки, а также обеспечивать загрузку и выгрузку станка.

Мехатронное устройство для автоматической подачи заготовок на фрезерные станки серии GSM, это подвесной кран, использующий для точности перемещения лазерные дальномеры. Основным рабочим органом мехатронного устройства является вертикальная телескопическая колонна, состоящая из линейного мехатронного модуля движения, направляющих и двойного захватного устройства, работающего с помощью пневмопривода.

В комплекте к мехатронному устройству для автоматической подачи заготовок во фрезерные станки серии GSM прилагается:

· кабели интеграции данных станка и мехатронного устройства;

· кабель USB;

· инструкция по эксплуатации.

Производство мехатронных устройств будет осуществляться на собственном предприятии. Изготовление и сборка печатных плат будет производиться квалифицированными и опытными радиомонтажниками. Изготовление мехатронного модуля и захватного устройства будет производиться квалифицированными рабочими-сборщиками, а изготовление основной конструкции мехатронного устройства и корпуса механизма подачи будет производиться сварщиками и сборщиками совместно.

На разработку данного устройства потребуются капиталовложения на сумму 7699340 рублей, которые окупятся уже в IV квартале 2013 г.

Достижение безубыточности возможно при объеме производства и продаж не менее 264 шт. за первый год производства.

10.2 Характеристика мехатронного устройства для автоматической подачи заготовок во фрезерные станки серии GSM

На ООО «КЗ «Ростсельмаш» эксплуатируются фрезерные станки серии GSM, которые обрабатывают детали длинной до 6 метров и весом до 100 кг. В этом случае фрезеровщику трудно справиться самостоятельно, так как загружать и разгружать станок физически неудобно. Но его с лёгкостью заменит разрабатываемое мехатронное устройство. Автоматизация процесса на этом уровне позволит улучшить работоспособность и качество работы на станке.

Мехатронное устройство для автоматической подачи заготовок на фрезерные станки серии GSM, это подвесной двухкоординатный кран, состоящий из трёх направляющих рельс, которые осуществляют движение механизма подачи заготовок с захватным устройством в горизонтальной плоскости.

Механизм подачи, в свою очередь, является третьей изменяемой координатой мехатронного устройства и управляет захватом в вертикальной плоскости.

Механизм подачи представляет собой колонну, которая обеспечивает движение захватного устройства по вертикали на подобие гидравлического цилиндра. Внутри колонны располагается мехатронный модуль линейного движения с шарико-винтовой парой, а так же пневматическая направляющая.

Захватное устройство так же имеет пневматическое управление и работает на разжим. Это позволяет в случае отключения электричества избежать разжатия схвата и падения детали.

Для точного позиционирования схвата, мехатронное устройство оснащено лазерными дальномерами.

В таблице 10.1 представлены технические характеристики мехатронного устройства.

Таблица 10.1 - Технические характеристики мехатронного устройства для автоматической подачи заготовок во фрезерные станки серии GSM.

Габаритные размеры направляющих конструкций, мм	11000х675х11000
Габаритные размеры механизма подачи, мм	500х1730х1000
Грузоподъёмность, кг	До 1000
Горизонтальное перемещение механизма подачи, м2	100
Вертикальное перемещение механизма подачи, мм	1100
Максимальная ширина схвата, мм	60
Масса, кг	1650

Мехатронное устройство для автоматической загрузки может применяться на любых предприятиях на станках с открытым сверху столом обработки. Так же, это устройство может применяться как отдельное от станка мехатронного устройство.