Основные технические данные и характеристики робота "Электроника НЦТМ-01"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Описание и технические характеристики объекта управления

1.1 Основные технические данные и характеристики робота «Электроника НЦТМ-01»

1.2 Схематическое изображение установки робота на станке, краткое описание конструкции и цифровые характеристики габаритов и зоны действия

1.3 Описание алгоритма функционирования робота

1.4 постановка задачи на разработку

2. Аппаратно-алгоритмическое обеспечение модернизации системы управления

2.1 Информационная подсистема робота

2.2 Современные оптические датчики

2.3 Определение используемых ресурсов и параметров инициализации микроконтроллера

2.4 Алгоритм работы токарного роботизированного комплекса

3. Разработка программного обеспечения системы управления манипулятором

3.1 Распределение констант в памяти

3.2 Ожидание начала цикла работы

Литература

Введение

Особенностью современного этапа развития российской экономики является ограниченность людских и материальных ресурсов.

Быстрый рост образовательного, культурного, материального уровня трудящихся, наблюдавшийся до экономического кризиса, когда подавляющая часть рабочих имеет образование не ниже среднего, существенно изменил требования к условиям работы и содержательности трудовых процессов. Ручной труд, особенно малоквалифицированный, монотонный и тяжелый, становится все более непривлекательным, не престижным, нежелательным, особенно для молодежи. Поэтому тот технический арсенал средств неавтоматизированного производства, который составляет сейчас его основу, уже в настоящем времени становится социально неприемлемым, социально невозможным. Иными словами, переналаживаемому производству необходимы автоматизация, «безлюдность» при выполнении и технологических, и вспомогательных процессов.

Применение промышленных роботов заменяет человека на монотонных и тяжелых работах. Кроме того, они обладают достаточной гибкостью, чтобы использовать их при выпуске продукции средними и малыми партиями, то есть в той области, где традиционные средства автоматизации неприменимы.

Второй уровень автоматизации предполагает автоматизацию постановки и снятия деталей со станка, то есть загрузку оборудования. Такой уровень автоматизации позволяет рабочему обслуживать несколько технологических единиц оборудования, таким образом перейти к многостаночному обслуживанию. В качестве загрузочных устройств широко используются промышленные роботы. Они отличаются большой универсальностью и быстротой переналадки [1].

Однако высокая стоимость средств автоматизации удерживают в нерешительности многих руководителей и предпринимателей. В особенности это относится к мелким и средним предприятиям, которых становится в настоящее время все больше, так как они не имеют больших финансовых возможностей для риска.

Одним из средств дешевого обновления производства является возрождение станков с программным управлением и автоматизированной загрузкой.

В 80-е годы в НИИ точного машиностроения г. Зеленоград был создан промышленный робот «Электроника НЦТМ-01» с пятью степенями подвижности. Его разработчиками являются В.П. Володин, А.В. Ханцевич, В.П. Ращинский. Это робот был одним из лучших в стране. Основное назначение данного робота - обслуживание металлорежущих токарных станков с числовым программным управлением, а именно загрузка и разгрузка деталей типа тел вращения диаметром и высотой до 150 мм.

Указанный робот, несмотря на давность разработки, полностью отвечает требованиям современного производства, но необходимо отметить, что функциональные возможности робота - его универсальность и гибкость, быстрота перепрограммирования (обучаемость), число позиций, обслуживаемых рабочим органом, точность позиционирования, быстродействие и ряд других качеств в значительной мере определяются его информационно-управляющей системой [2].

Модернизация системы управления для промышленного робота «Электроника НЦТМ-01» являются целью дипломного проектирования.

1. Описание и технические характеристики объекта управления

1.1 Основные технические данные и характеристики робота «Электроника НЦТМ-01»

Промышленный робот «Электроника НЦТМ-01» (рис.1.1) является адаптивным роботом второго поколения, управляемым от микроЭВМ; предназначен для загрузки токарных станков с числовым программным управлением и образует в совокупности со станком гибкий производственный модуль, используемый в гибких автоматизированных цехах и участках. Манипулятор робота оснащен комбинированным электромеханическими пневматическим приводом.

Рисунок 1.1 Промышленный робот «Электроника НЦТМ-01»

Технические характеристики робота [3]:

- Номинальная масса объекта манипулирования - 10 кг;

- Максимальные перемещения:

1) по оси X - 300 мм;

2) по оси Y - 300 мм;

3) по оси Z - 150 мм;

4) по азимуту - 90°;

- Максимальная погрешность позиционирования - 0,5 мм;

- Скорость перемещений:

1) по оси X - 0,05 м/с;

2) по оси Z - 0,05 м/с;

3) по оси Y - 0,1 м/с;

- Число степеней подвижности - 5;

- Тип привода:

1) по степеням подвижности - электромеханический;

2) схвата - пневматический;

- Выдвижение схватов - 5 мм;

- Устройство управления - позиционное;

- Способ программирования перемещений - обучение по первому циклу;

- Питание: сеть переменного тока 380/220 В;

- Потребляемая мощность.........0,5 кВт.

Робот обеспечивает блокировку работы при наезде на препятствие.

Робот обеспечивает непрерывную загрузку и выгрузку деталей на металлорежущем станке в течение 8 часов. Допускаются остановки манипулятора, вызванные срабатыванием системы самозащиты.

Робот должен эксплуатироваться в помещении категории 3 по ОСТ 11 6ВО.005.022.

Для эксплуатации робота требуется сжатый воздух по ГОСТ 17433-80 под давлением (3,4 - 5,98)*10⁵ Па (3,5 - 6 кгс/см²).

Категория ремонтной сложности робота: механической части - 8; электрической части - 10.

1.2 Схематическое изображение установки робота на станке, краткое описание конструкции и цифровые характеристики габаритов и зоны действия

Рисунок 1.2. Промышленный робот «Электроника НЦТМ-01»

Робот устанавливается на передней бабке станка 14, забирает детали 21 из кассеты 16, устанавливаемой на подставке 15 перед станком.

Для захвата детали в правую полость пневмоцилиндра 22 подается сжатый воздух, его поршень 20 и связанный с ним червяк 19 перемещаются влево, при этом поворачиваются шестерни 18, входящие в зацепление с червяком и захватными кулачками 17, кулачки сводятся и захватывают деталь. Затем схваты меняются местами, поворачиваясь вокруг наклонной оси, и ранее обработанная деталь, зажатая в другом схвате, ставится на освободившееся место в кассете. Последняя деталь ставится на место первой. Для поворота схватов также использован пневмопривод. Поворот осуществляется за счет перемещения поршня 24, в пазу которого закреплена рейка, входящая в зацепление с шестерней 23.

Все остальные перемещения осуществляются электромеханическим приводом с использованием двигателей постоянного тока 9 и шариковых передач винт-гайка (4, 5 и др.).

По оси Y перемещается каретка 10, установленная на шариковых опорах 11 на цилиндрических направляющих 12, расположенных в корпусе 13. Внутри каретки установлен привод поворота манипулятора. Вращение передается от электродвигателя на поводок 6 четырехпозиционного мальтийского креста 7, скрепленного с модулем горизонтального перемещения 8.

По оси X перемещается каретка 2, установленная внутри модуля горизонтального перемещения на шарикоподшипниковых опорах 3.

Шток модуля вертикального перемещения установлен в шариковой опоре 25, второй его конец фиксирован шариковой передачей винт-гайка и скользящей шпонкой 26, предотвращающей вращение штока.

Все ходовые винты манипулятора снабжены датчиками перемещений 1 в виде дисков со щелями, с одной стороны освещаемых лампами или фотодиодами. С другой стороны диска установлен фотодиод, считающий число проходящих мимо него щелей и фиксирующий таким образом перемещение рабочего органа.

Управление по осям X, Y и Z является контурным, т. е. манипулятор может отрабатывать любые перемещения внутри куба 300Ч300Ч150 с дискретностью, определяемой датчиками перемещений по соответствующим осям [1].

В управляющий алгоритм введены элементы адаптации. При съеме первой детали с кассеты захват опускается медленнее обычного и фиксирует момент касания детали в памяти ЭВМ с тем, чтобы при захвате остальных деталей учитывать высоту заготовок и осуществлять быстрый подвод в свободной от заготовок зоне. При загрузке первой детали в патрон станка осуществляется поиск нужного положения детали с тем, чтобы компенсировать смещение вертикальной координаты вниз от ее веса. Необходимые координаты считываются с датчиков соответствующих приводов в память ЭВМ, чтобы ускорить загрузку следующих деталей.

1.3 Описание алгоритма функционирования робота

Начальное положение манипулятора (НПМ) - горизонтальный механизм корпуса в крайнем правом положении, горизонтальный привод - «рука» манипулятора втянут, вертикальный привод поднят, схват для заготовок внизу.

Положение манипулятора перед поворотом 1 (ПМПП 1) - горизонтальный механизм корпуса в крайнем правом положении, горизонтальный привод - «рука» манипулятора выдвинут на высоту детали, вертикальный привод поднят, схват для обработанных деталей внизу.

Положение манипулятора перед поворотом 2 (ПМПП 2) - горизонтальный механизм корпуса в крайнем правом положении, горизонтальный привод - «рука» манипулятора выдвинут на высоту детали, вертикальный привод поднят, схват для заготовок внизу.

Обход начинаем с крайней правой ячейки первого ряда (ряды считать от станка), порядок обхода на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 Порядок обхода кассеты

Укрупненный алгоритм работы робота выглядит следующим образом:

1) оператор задает тип кассеты и разрешает начать работу;

2) манипулятор медленно опускается, определяем высоту заготовки (запись в память), захват заготовки;

3) манипулятор переходит в ПМПП 1 (манипулятор поднимается в начальное положение, «рука» манипулятора горизонтально выдвигается на высоту детали, корпус манипулятора смещается в крайнее горизонтальное положение, поворот схвата);

4) поворот манипулятора на 90 градусов;

5) «рука» манипулятора горизонтально втягивается, заготовка вставляется в патрон, сигнал станку на закрепление детали, получение сигнала от станка о закреплении детали. Схват разжимается. «Рука» манипулятора горизонтально выдвигается на высоту детали. Переход манипулятора в ПМПП 1(поворот манипулятора);

6) сигнал станку на обработку детали, обработка детали станком;

7) получение сигнала об окончании обработки детали. Поворот схвата, поворот манипулятора, «рука» манипулятора горизонтально втягивается, захват обработанной детали, сигнал станку о захвате детали, сигнал от станка об освобождении детали. «Рука» манипулятора горизонтально выдвигается на высоту детали. Переход манипулятора в положение ПМПП 2 (поворот манипулятора);

8) позиционирование манипулятора над следующей ячейкой. Манипулятор опускается на высоту детали. Захват заготовки. Манипулятор поднимается в начальное положение. Поворот схвата. Манипулятор опускается на высоту детали. Схват разжимается, обработанная деталь устанавливается в ячейку;

9) последняя деталь устанавливается в первую ячейку. После установки последней детали сигнал и сообщение оператору об окончании работы.

1.4 Постановка задачи на разработку

В 1996ч1998 годах, когда стало активно развиваться автоматизированное производство на малых предприятиях, рядом организаций были проведены работы по модернизации роботов. Прежде всего, это касалось замены системы управления роботом.

В силу простого алгоритма работы координат робота, отсутствия аналоговых датчиков и необходимости управления скоростью приводов в качестве системы управления выбирались наиболее популярные и распространенные в России микроконтроллеры серии MCS-51. Оно получило свое название от первого представителя этого семейства - микроконтроллера 8051, выпущенного в 1980 году на базе технологии HMOS. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке. С точки зрения технологии микроконтроллер 8051 являлся для своего времени очень сложным изделием - в кристалле было использовано 128 тыс. транзисторов, что в 4 раза превышало количество транзисторов в 16-разрядном микропроцессоре 8086. Важную роль в достижении такой высокой популярности семейства 8051 сыграла открытая политика фирмы Intel, родоначальницы архитектуры, направленная на широкое распространение лицензий на ядро 8051 среди большого количества ведущих полупроводниковых компаний мира [4].

Аналог этого микроконтроллера выпускался и на Воронежском заводе полупроводниковых приборов.

Микроконтроллер 18ВЕ51 имел следующие аппаратные особенности:

- внутреннее ОЗУ объемом 128 байт;

- четыре двунаправленных побитно настраиваемых восьмиразрядных порта ввода/вывода;

- два 16-разрядных таймера-счетчика;

- встроенный тактовый генератор;

- адресация 64 КБайт памяти программ и 64 Кбайт памяти данных;

- две линии запросов на прерывание от внешних устройств;

- интерфейс для последовательного обмена информацией с другими микроконтроллерами или персональными компьютерами.

В настоящее время производственные мощности большинства предприятий, оставшихся в работе, значительно снизились. Из производства исчезли массовые и мелкооптовые заказы. Производство, в основном, стало мелкосерийным. В силу этого, использование разработанных систем управления стала нерентабельной, так как было ориентировано на длительную работу с деталями одного типоразмера. Для перехода к другим деталям требовалась переналадка схватов манипулятора и вмешательство оператора для определения типа кассеты (фактически - типоразмера деталей в кассете).

В условиях мелкосерийного производства для увеличения производительности оборудования потребовалось модернизация системы управления робота-загрузчика, которая обеспечила бы возможность непрерывной работы манипулятора с различными деталями в одной кассете.

Для выполнения этой задачи требуется модернизация алгоритма работы вертикальной координаты манипулятора.

Кроме того, ввиду необходимости адаптации захвата робота к заготовкам разной высоты и диаметра потребовалось изменить и микроконтроллер, на котором базируется система управления.

В качестве микроконтроллера выбран 8-разрядный микроконтроллер с АVR RISC архитектурой 1887ВЕ4У [5].

Основные характеристики:

- Быстродействующая архитектура типа «регистр-регистр»;

- Регистровое ОЗУ емкостью до 512 байт;

- Последовательный периферийный интерфейс SPI;

- Последовательный синхронно-асинхронный приемопередатчик UART;

- Двухпроводной последовательный интерфейс TWI;

- 16-разрядный таймер/счетчик;

- Два 8-разрядных таймера/счетчика;

- 8-разрядный сторожевой таймер;

- 8-канальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь;

- Аналоговый компаратор;

- 4-канальный ШИМ;

- Четыре 8-разрядных порта ввода-вывода;

- Режимы холостого хода IDLE и хранения POWERDOWN;

- Напряжение питания: 5 В (±10 %);

- Напряжение источника опорного напряжения от 2,0 В;

- Диапазон рабочих температур: -60/+85 °С.

2. Аппаратно-алгоритмическое обеспечение модернизации системы управления

2.1 Информационная подсистема робота

Система управления робота-загрузчика, формировавшаяся при его создании, имела чисто дискретный характер. Информацию о положении звеньев манипулятора обеспечивали конечные выключатели, обеспечивающие надежное, без дребезга контактов срабатывание с достаточной для этого оборудования точностью. Информацию о величине перемещения относительно исходной точки обеспечивали оптические импульсные датчики вращения приводных электродвигателей с разрешающей способностью один импульс на 1 мм перемещения. Эти же сигналы использовались для контроля скорости перемещения координат (по времени между импульсами) и обеспечивали остановку вертикальной координаты манипулятора над деталью, при повороте схвата в рабочую зону токарного станка и подводке заготовки к патрону. Для упрощения алгоритма контроля положения вертикальной координаты манипулятора били определены шесть типов кассет для загрузки станка, каждая из которых загружалась изделиями определённой высоты. Это позволяло задать в алгоритме работы робота 6 типовых положений для каждой из трех зон контроля вертикального и горизонтального перемещения координат манипулятора (над деталью в кассете, поворот схвата над станиной станка и величина горизонтального перемещения в зоне патрона, обеспечивающая захват детали в патроне). Наиболее критичным местом в алгоритме было определение положения остановки вертикальной координаты над заготовкой в кассете. Захват заготовки (на манипуляторе используются раздельные захваты для операции с заготовками и готовыми изделиями) не имеет дискретного датчика конечного положения, отвечающего за остановку привода при достижении поверхности детали. Для этого используется информация с дискретного оптического датчика вращения двигателя. Отсутствие импульсов с датчика в течение некоторого времени свидетельствует об остановке координаты, т.е. достижении захватом нужной точки. При этом электропривод вертикальной координаты работает «на упор». Для обеспечения отсутствия удара при достижении заготовки и уменьшения токовой нагрузки при работе на «упор» схват подводится к детали на пониженной скорости (в системе управления их две и задаются они дискретно). Момент включения пониженной скорости как раз и определяется установками, фиксированными для каждого типа заготовок.

В условиях мелкосерийного и штучного производства использование разных кассет стало мало удобным и отнимает большое количество рабочего времени обслуживающего персонала. Система управления современного токарного станка позволяет легко менять программу обработки детали, поэтому узким местом в этой ситуации стала зависимость работы токарного комплекса от высоты заготовок в кассете. Требуется изменить информационную систему манипулятора таким образом, чтобы она могла сама определить точку остановки независимо от высоты заготовки и зафиксировать это значение для определения контрольных координат в других критических зонах.

В современных условиях наиболее оптимальным будет использование в качестве датчика зоны снижения скорости (а возможно и остановки привода вертикальной координаты) оптическую систему навигации.

2.2 Современные оптические датчики

Оптоэлектроника - это новая область науки и техники, которая появилась на стыке оптики и электроники. Следует заметить, что в развитии радиотехники с самого начала ХХ века постоянно прослеживалась тенденция освоения электромагнитных волн все более высокой частоты. Вытекающее из этого факта предположение, что однажды радиотехника и электроника достигнут оптического диапазона волн, становится все более и более достоверным, начиная с 1950-х годов. Годом возникновения оптоэлектроники можно считать 1955-й, когда Е. Лоебнер описал потенциальные параметры различных оптоэлектронных устройств связи, называемых сейчас оптронами, т. е. когда были обсуждены основные характеристики соединения оптического и электронного устройств. На сегодняшний день область этих устройств расширилась от обычного светового, до лазерного исполнения.

Конструкции полупроводниковых лазерных диодов и светодиодов (СД) весьма разнообразны. Конструкции СД выбирают с таким расчетом, чтобы уменьшить собственное самопоглощение излучения, обеспечить режим работы при высокой плотности тока инжекции и увеличить эффективность ввода излучения в волокно. Для повышения эффективности ввода используют микролинзы как формируемые непосредственно на поверхности прибора, так и внешние.

В настоящее время получили распространение две основные модификации СД: поверхностные и торцевые. В поверхностных СД излучение выводится в направлении, перпендикулярном плоскости активного слоя, а в торцевых из активного слоя в параллельной ему плоскости. Схематическое изображение конструкции СД обоих типов приведено на рисунке. Для улучшения отвода тепла от активного слоя при высокой плотности токанакачки применяют теплоотводы.

Вывод излучения в СД поверхностного типа на арсениде галлия осуществляют через круглое отверстие, вытравленное в обложке. В это отверстие вставляют оптическое волокно и закрепляют его с помощью эпоксидной смолы. Такую конструкцию светодиода называют диодом Барраса. Известны также конструкции поверхностных СД с выводом излучения непосредственно через подложку. Такие конструкции применяются в СД на четырехкомпонентном соединении GaInAsP. В этом случае подложка из InP является прозрачным окном.

В торцевых СД с двойной гетероструктурой вывод излучения активного слоя осуществляют с торца, как и в лазерных диодах. Благодаря полному внутреннему отражению оптическое излучение распространяется вдоль перехода. С помощью полосковой конструкции нижнего омического контакта, а также щели на задней части активного слоя активная область ограничена, что позволяет избежать лазерной генерации. Так как генерируемое излучение при выводе наружу проходит через активный слой, то имеет место самопоглощение излучения в этом слое. Для уменьшения самопоглощения активный слой выполняют очень тонким (0,03...0,1 мкм).В результате излучение распространяется главным образом в ограничивающем слое, который благодаря большой ширине запрещенной зоны имеет небольшие потери на поглощение.

Излучение СД возникает в результате спонтанной излучательной рекомбинации носителей заряда и поэтому является некогерентным, а, следовательно, относительно широкополосным и слабонаправленным.

Особо следует выделить суперлюминесцентные СД. В этих диодах помимо спонтанной рекомбинации с излучением используется процесс индуцированной рекомбинации с излучением; выходное излучение является усиленным в активной среде. Суперлюминесцентные СД представляют собой торцевые СД, работающие при таких высоких плотностях тока инжекции, что в материале активного слоя начинает наблюдаться инверсная населенность энергетических уровней.

Принципиальным отличием лазерного диода от СД является наличие в первом встроенного оптического резонатора, что позволяет при условии превышения током инжекции некоторого порогового значения получить режим индуцированного излучения, которое характеризуется высокой степенью когерентности. Наиболее часто в качестве оптического резонатора используют: плоский резонатор Фабри-Перо и его модификации, включая составные и внешние резонаторы, резонаторы с распределенной обратной связью (РОС-резонатор) и с распределенным брэгговским отражателем (РБО-резонатор). Плоский резонатор образуется обычно параллельно сколотым торцам полупроводника, а РОС- и РБО-резонаторы путем периодической пространственной модуляции параметров структуры, влияющих на условия распространения излучения. При совмещении периодической структуры с активной областью получают РОС-диод, а при размещении периодической структуры за пределами активной области РБО-лазерный диод.

Преимуществами РОС- и РБО-лазерных диодов по сравнению с обычным лазерным диодом с резонатором Фабри-Перо являются: уменьшение зависимости длины волны излучения от тока инжекции и температуры, высокая стабильность одномодовости и одночастотности излучения, практически 100-процентная глубина модуляции. Так, если в лазерном диоде с резонатором Фабри-Перо температурный коэффициент порядка 0,5...1 нм/С. Кроме того РОС и на отказ. Кроме того, для РБО-структуры позволяют реализовать интегрально-оптические схемы. Основным их недостатком является сложная технология изготовления [6].

Наиболее важными для применения параметрами являются: средняя мощность излучения, ширина излучаемого спектра, время нарастания и спада импульса излучения при импульсном возбуждении тока накачки, падение напряжения на диоде и наработка лазерных диодов и торцевых светодиодов, обладающих узкой диаграммой направленности, существенное значение имеют углы расходимости по уровню половинной мощности. Эти углы обычно определяют по направлению излучения в параллельной и перпендикулярной переходу плоскостях и обозначают соответственно и.Оба угла характеризуют поле излучения в дальней зоне и обычно =10...30 и =30...60 [7].

Средняя мощность излучения при работе при работе излучателя в непрерывном режиме определяет полную мощность, излучаемую поверхностью активной области прибора в направлении вывода излучения.

Фотоэлектрические датчики Sick широко применяются в различных областях промышленности и решают задачи управления производственными технологическими процессами при подсчете, обнаружении или позиционировании объектов. Таким образом, фотоэлектрические датчики широко применяются для решения задач промышленной автоматизации.

Отличительными чертами фотоэлектрических датчиков является их бесконтактный принцип измерений с предоставлением выходной информации в цифровой форме. Существуют следующие типы оптических датчиков:

Таблица 1

Рабочий принцип	Преимущества
Принцип прерывания луча разнесенных в разные корпуса излучателя и приемника (прием прямого луча от излучателя)	· система состоит из двух устройств: излучателя и приемника · максимально возможный рабочий диапазон · надежное определение прозрачных и бликующих объектов · максимальная точность и надежность
Принцип отражения от рефлектора, отдельные модели для 10 детектирования стекла (прием луча, возвращенного от отражателя)	· приемник и излучатель в одном корпусе · большой рабочий диапазон · возможность изменять рабочее расстояние с помощью различных отражателей · работа с объектами различного размера · использование поляризованных фильтров для работы с бликующими предметами · автоматическая регулировка чувствительности для teach-in датчиков
Принцип прямого отражения от объекта (прием луча, рассеянно отраженного от объекта)	· приемник и излучатель в одном корпусе · не требуется установка рефлектора · реагирует на отраженный от предмета луч · небольшая стоимость

Фотоэлектрические датчики на прерывание луча типа WS/WE

Система фотоэлектрических датчиков, работающая по принципу прерывания луча, состоит из двух отдельных устройств, излучателя и приемника, которые располагаются напротив друг друга таким образом, чтобы световой поток излучателя был направлен непосредственно на приемник. При прерывании луча происходит срабатывание датчика и формирование цифрового выходного сигнала.

Фотоэлектрические датчики на прерывание луча требуют особой точности монтажа и настройки светового потока от излучателя к приемнику, но при этом, их рабочий диапазон (максимально допустимое расстояние между приемником и излучателем) достаточно велик. Кроме того, для его увеличения можно использовать лазерные излучатели. Все датчики имеют класс защиты IP 66, IP 67, IP 68 [8].

Таблица 2. Лазерные фотоэлектрические датчики

Внешний вид	Серия	Рабочий диапазон	Напряжение питания, В	Тип вых. сигнала	Диапазон рабочих температур, °С
	WS/WE190 L	0...50 м	10...30	PNP, NPN	-10...40
	WS/WE9L	0...50 м	10...30	PNP, NPN	-10...50
	WS/WE12L-2	0...15/ 0...100 м	10...30	PNP, NPN	-10...50
	VS/VE18L	0...60 м	10...30	PNP, Q/NPN, Q	-15...55

Однако стоимость таких готовых приборов весьма велика. Средняя цена лазерного датчика составляет порядка 20000 руб [9]. Вместе с тем в продаже широко распространены оптические бытовые приборы типа лазерной указки, стоимость которых составляет не более 1000 рублей (рисунок 2.1).



Рисунок 2.1 Лазерная указка

Лазерная указка - портативный генератор когерентных и монохроматических электромагнитных волн видимого диапазона в виде узконаправленного луча. В большинстве случаев изготавливается на основе красного лазерного диода, который излучает в диапазоне 635-670 нм. Из-за того, что диод излучает ненаправлено, значительная часть излучения падает на внутренние стенки корпуса и поглощается. В связи с этим КПД лазерной указки низкий. Для организации излучения в узконаправленный луч, как правило, используется двояковыпуклая линза-коллиматор. Однако при качественной фокусировке луча (которую можно произвести самостоятельно, подкручивая прижимную гайку линзы), указку можно использовать для проведения опытов с лазерным лучом (например, для изучения интерференции). Мощность наиболее распространенных лазерных указок 0,1-50 мВт, в продаже имеются и более мощные до 2000 мВт. В большинстве из них лазерный диод не закрыт, поэтому разбирать их надо крайне осторожно. Со временем открытый лазерный диод «выгорает», из-за чего его мощность падает. Со временем подобная указка практически перестанет светить, вне зависимости от уровня заряда батарейки. Зелёные лазерные указки имеют сложное строение и больше напоминают по устройству настоящие лазеры [10].

Типы лазерных указок

Ранние модели лазерных указок использовали гелий-неоновые (HeNe) газовые лазеры и излучали в диапазоне 633 нм. Они имели мощность не более 1 мВт и были очень дорогими. Сейчас лазерные указки, как правило, используют менее дорогие красные диоды с длиной волны 650--670 нм. Указки чуть подороже используют оранжево-красные диоды с л=635 нм, которые делают их более яркими для глаз, так как человеческий глаз видит свет с л=635 нм лучше, чем свет с л=670 нм. Производятся и лазерные указки других цветов; например, зеленая указка с л=532 нм - хорошая альтернатива красной с л=635 нм, поскольку человеческий глаз приблизительно в 6000 раз чувствительнее к зелёному свету по сравнению с красным. В последнее время набирают популярность жёлто-оранжевые указки с л=593,5 нм и синие лазерные указки с л=473 нм.

Красные лазерные указки

Самый распространенный тип лазерных указок. В этих указках используется лазерные диоды с коллиматором. Для данных лазерных указок достаточно питания от обычных батареек-таблеток. Стоимость на сегодняшний день (Ноябрь, 2011) - чуть больше 1$. Длина волны - примерно 650 нм.

Более редкие красные лазерные указки используют Твердотельный лазер c диодной накачкой (diode-pumped solid-state, DPSS) и работают на длине волны 671 нм.

Зеленые лазерные указки

Зеленые лазерные указки начали продаваться в 2000 году. Самый распространенный тип твердотельных с диодной накачкой (DPSS) лазеров. Лазерные диоды зелёного цвета не производятся, поэтому используется другая схема. Устройство намного сложнее, чем у обычных красных указок, и зелёный свет получают довольно громоздким способом.

Сначала мощным (обычно >100 мВт) инфракрасным лазерным диодом с л=808 нм накачивается кристалл ортованадата иттрия с неодимовым легированием (Nd:YVO4), где излучение преобразуется в 1064 нм. Потом, проходя через кристалл титанила-фосфата калия (KTiOPO4, сокр. KTP), частота излучения удваивается (1064 нм > 532нм) и получается видимый зелёный свет. КПД схемы около 20 %, большая часть приходится на комбинацию 808 и 1064 нм ИК. На мощных указках >50 мВт нужно устанавливать инфракрасный фильтр (IR-фильтр), чтобы убрать остатки ИК-излучения и избежать повреждения зрения. Также стоит отметить высокую энергозатратность зелёных лазеров - в большинстве используются две AA/AAA/CR123 батареи.

Рисунок 2.2 Структура лазерной указки

Использование таких устройств очень выгодно для построения навигационных систем робототехники, но требует установки приемников на противоположную сторону. Область применения таких способов навигации - транспортные роботизированные системы [11].

Вместе с тем в промышленности давно нашел применение еще один тип оптических датчиков - датчики с отражением луча от объекта (wt).

В конструкции данных датчиков в одном корпусе объединены приемник и передатчик, т.о. датчики не требуют специальных маркеров для измерения расстояния до объекта. Фотоэлектрические датчики с отражением от объекта измеряют время прохождения луча от объекта до приемника при стробировании излучения. Отраженный от поверхности свет попадает в приемник только частично, кроме того, датчики не защищены от ложных срабатываний при отражении от блестящих поверхностей объектов, а также объектов различного цвета. Диапазон сканирования и срабатывания может быть отрегулирован посредством настройки чувствительности и времени накопления результатов.

В зависимости от принципа детектирования, различаются датчики следующих типов:

Датчики с подавлением переднего фона (FGS)

Определяются небольшие по размеру объекты, расстояние до которых меньше, чем расстояние до подложки. Подавление переднего фона осуществляется посредством специального расположения приемника и излучателя. При использовании датчиков такого типа рекомендуется использовать светлый задний фон одинаковой высоты.

Датчики с подавлением переднего фона идеальны для обнаружения объектов с прозрачной или зеркальной поверхностью, а также для объектов, расположенных максимально близко друг к другу. Датчики могут быть светодиодными (для обнаружения небольших объектов) или лазерными (для малых, миллиметровых объектов).

Датчики с подавлением заднего фона (BGS)

Определяются только объекты в заданном диапазоне сканирования. Объекты за пределами диапазона не определяются. Датчики могут быть светодиодными (большие объекты) или лазерными (маленькие, миллиметровые объекты). Среди преимуществ датчиков с подавлением заднего фона можно назвать отсутствие необходимости в отражателе, обнаружение небольших по габаритам объектов, высокую чувствительность к темным объектам, расположенным на светлом фоне, и нечувствительность к объектам, расположенных вне зоны сканирования [12].

Для монтажа в схвате робота-загрузчика наиболее подойдут цилиндрические фотодатчики. При рассмотрении подробных параметров версий датчиков этого типа определился наиболее подходящий вариант - VTF180-2 Photoelectric proximity sensor, BGB, energetic, red light.

Габаритно-установочные параметры датчика изображены на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 Установочные размеры датчика приближения

Таблица 3.Характеристики датчика (информация с паспорта изделия)

Scanning distance SD, typ. max.	1... 450 mm
Operating distance SD	1... 400 mm
Light spot diameter	Approx. 20 mm at 400 mm
Angle of dispersion sender	approx.
Light source, light type	LED, red light, 645 nm
Sensitivity adjustable	Potentiometer 270°
Orange LED indicator	Switching output active
Green LED indicator	Stability indicator light reception
Supply voltage VS	10... 30 V DC 3)
Residual ripple	± 10 %
Current consumption	< 30 mA
Switching outputs	Q: PNP, open collector
Signal voltage PNP HIGH/LOW	VS - 1.8 Vmax /approx. 0 V
	Q: NPN, open collector
Signal voltage NPN HIGH/LOW	Approx. VS/< 1.8 V
Switching mode	Light-/dark-switching, selectable
Output current IA max.	< 100 mA
Response time	< 0.5 ms
Max. switching frequency	1,000/s
Connection type	Plug, M12, 4-pin
	Cable 9>, PVC, 2 m, 4 x 0.18 mm2, 0 3.8 mm
VDE protection class
Enclosure rating	IP 67
Circuit protection 10)	A, B, C
Ambient temperature TA	Operation -25 °C... +55 °C
	Storage -40 °C... +70 °C
Weight	With plug M12, approx. 7 g
	With cable, 2 m, approx. 90 g
Housing material	Housing: PBT & PC
	Optic: PMMA

Типовая рабочая характеристика прибора представлена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 Типовая характеристика датчика положения

Экспериментальные исследования датчика при работе с необработанной поверхностью металла позволили определить следующие характеристики:

- расстояние обнаружения поверхности - 350 ч 400 мм;

- максимальное выходное напряжение (при уровне питающего напряжения 24 В) составляет 11 ч 12 В;

- максимальное значение выходное напряжение датчика выдает на расстоянии 50 ч 60 мм от поверхности (оптимально для переключения на нижнюю скорость электропривода вертикальной координаты);

- в зоне начала контакта поверхности захвата и заготовки (точка остановки электропривода) напряжение датчика составляет 1 ч 2 В.

Таким образом, при использовании этого датчика, алгоритм определения точек снижения скорости и остановки вертикальной координаты может быть оптимизирован для работы с произвольной высотой деталей в одной кассете. Для его реализации потребуется иметь аналоговый вход в системе управления роботом и использовать любой простейший алгоритм определения максимума характеристики. В данном случае - определение момента начала падения уровня сигнала датчика положения. Остановка электропривода механизма подъема будет выполняться пои значении сигнала 1.8В/К_м, где К_м - коэффициент масштабирования аналогового сигнала к уровню входа.

2.3 Определение используемых ресурсов и параметров инициализации микроконтроллера

Для того чтобы перейти непосредственно к разработке управляющей программы, нам необходимо сопоставить порты микроконтроллера подключаемому оборудованию манипулятора. В таблице 4 представлены все точки сопряжения.

Таблица 4. Подключение оборудования к портам микроконтроллера

Порт МК	Оборудование манипулятора
Кнопки
РD.4	Кнопка СТАРТ (ручной пуск программы )
РD.5	Кнопка СТОП (остановка программы)
Индикация
РС.0	Зеленая лампочка (штатная остановка)
РС.1	Желтая лампочка (аварийная остановка)
Двигатели перемещения отрезка Z1Z2
PС.2	Включение первого двигателя координаты
РС.3	Переключатель обратного хода
РС.4	Включение второго двигателя координаты
Двигатели перемещения отрезка X1X2
РС.5	Включение электрического двигателя
РС.6	Переключатель обратного хода
Двигатели перемещения отрезка Y1Y2
РС.7	Включение электрического двигателя
PА.2	Переключатель обратного хода
Двигатель мальтийского креста, дуга CD
РА.3	Включение электрического двигателя
РА.4	Переключатель обратного хода
Пневматический схват
РА.5	Взять заготовку
РА.6	Взять деталь
РА.7	Переворот схвата (заготовка-деталь)
PB.1 (вход таймера Т1) -датчик выбирается внешней схемой по сигналу включения привода координаты	Датчик движения X1X2 (по оси станка)
	Датчик движения Y1Y2 (поперек оси станка)
	Датчик движения Z1Z2 (вертикальная ось)
РA.0 (аналоговый)	Сигнал датчика положения (заготовка)
РA.1 (аналоговый)	Сигнал датчика положения (деталь)
РВ.0	Конечный датчик X1 по отрезку X1X2
РВ.1	Конечный датчик X2 по отрезку X1X2
РВ.2	Конечный датчик Y1 по отрезку Y1Y2
РВ.3	Конечный датчик Y2 по отрезку Y1Y2
РВ.4	Конечный датчик Z1 по отрезку Z1Z2
РВ.5	Конечный датчик Z2 по отрезку Z1Z2
PВ.6	Конечный датчик C по дуге CD
PВ.7	Конечный датчик D по дуге CD
PD.3	Прерывания для мальтийского креста
PD.6	Внешний сигнал - заготовка в патроне

Кроме того, при разработке перемещений в горизонтальной плоскости потребуется ряд констант, определяющих основные геометрические параметры кассеты и самого манипулятора, приведенные в таблице 5.

Таблица 5. Программные константы

n	- количество столбцов с заготовками на кассете;
m	- количество рядов с заготовками на кассете;
yY1	- расстояние от начальной точки до первого столбца;
Y1Y2	- расстояние между столбцами;
xX1	- расстояние от начальной точки до первого ряда;
X1X2	- расстояние между рядами;
hкас	- высота подъема манипулятора необходимая для переворота схвата;
hстан	- глубина опускания манипулятора для загрузки станка;
lстан	- длинна втягивания манипулятора необходимая для загрузки станка;

Порты ввода/вывода микроконтроллера предназначены для передачи и приема информации и последующей ее обработки. По умолчанию выводы микросхемы контроллера предназначены для выполнения функций ввода/вывода информации в соответствии с настройками регистров портов ввода/вывода. Однако функции большинства выводов микросхемы могут быть изменены программой. При этом к выводам микросхемы могут быть присоединены выходы таймеров, приемопередатчиков, входы аналогово-цифрового преобразователя, контроллера внешних прерываний.

Регистры направления определяют режим работы портов ввода/вывода. Если в каком-либо разряде регистра установлена логическая «1», то соответствующий вывод микросхемы контроллера работает на вывод информации из микроконтроллера. В противном случае соответствующий вывод микросхемы работает на ввод информации в микроконтроллер. Регистры данных предназначены для передачи данных на выводы микросхемы контроллера. Если в каком-либо разряде регистра установлена логическая «1», а соответствующий вывод микросхемы сконфигурирован как выход с помощью регистра направления, то на вывод микросхемы контроллера подается сигнал, соответствующий логической «1». В противном случае на вывод микросхемы контроллера подается сигнал логического «0».

Регистры состояния предназначены для отображения текущего состояния сигналов на выводах микросхемы контроллера. Так, если на выводе микросхемы находится сигнал логической «1», то соответствующий разряд регистра направления находится в состоянии логической «1».

В соответствии с таблицей распределения функций портов в таблице 2. 2 инициализация портов ввода вывода может быть произведена следующим фрагментом программы:

ldi r16,0xFС; в РОН r16 записываем число 1111 1100 - вывод (кроме 0 и 1)

out DDRA,r16 ; значение r16 посылается в DDRA

ldi r16,0x80; в РОН r16 записывается число 1000 0000-ввод (кроме 7)

out DDRВ,r16; значение r16 посылается в DDRB

ldi r16,0xFF; в РОН r16 записывается число 1111 1111 - вывод

out DDRC,r16; значение r16 посылается в DDRC

ldi r16,0x00; в РОН r16 записывается число 0000 0000-ввод

out DDRD,r16; значение r16 посылается в DDRD

Основным отличием таймера Т1 от таймеров Т0 и Т2 является его 16-разрядная организация.

Все регистры таймера состоят из двух частей - старшей и младшей, обозначаемых, соответственно, буквами H и L. Так, например, регистр счета таймера Т1 состоит из двух 8-разрядных регистров TCNT1H и TCNT1L. Таймер/счетчик Т1 служит для подсчета временных интервалов, регистрации внешних событий и работы в режиме ШИМ для вывода цифрового периодического сигнала с регулируемой скважностью и частотой. Таймер/счетчик Т1 служит для подсчета временных интервалов, регистрации внешних событий и работы в режиме ШИМ для вывода цифрового периодического сигнала с регулируемой скважностью и частотой.

Таймер синхронизируется от источника тактового сигнала процессора, либо от источника внешнего сигнала, подаваемого на цифровой вход микроконтроллера (РВ1).

Счет импульсов источника частоты ведется в 16-разрядном счетном регистре таймера TCNT1=TCNT1H:TCNT1L. Перед тем, как попасть в схему счета импульсов, тактовый сигнал поступает на схему деления частоты, которая, в соответствии с параметрами, установленными при инициализации таймера, производит деление частоты тактового сигнала f_CLK в следующем соотношении:

- без делителя частоты тактового сигнала f_CLK;

- с делителем частоты тактового сигнала f_CLK/ 8;

- с делителем частоты тактового сигнала f_CLK/64;

- с делителем частоты тактового сигнала f_CLK/256;

- с делителем частоты тактового сигнала f_CLK/1024.

Особенностью таймера Т1 является наличие двух каналов сравнения. Несмотря на то, что счетный регистр TCNT1 у таймера - один, он содержит два счетных регистра OCR1 (output compare register): OCR1A=OCR1AH:OCR1AL, и OCR1B=OCR1BH:OCR1BL.

В эти регистры записываются необходимые уставки срабатывания, то есть числа от 0 до максимального (2¹⁶=65535), при достижении которых счетным регистром TCNT1 формируются флаги прерываний по совпадению таймера Т1 по каналам А и В OCF1A, OCF1B (Output Compare Flag).

Управление таймером Т1 осуществляется через два 8-разрядных регистра управления TCCR1A, TCCR1B.

Биты 7 и 6 COM1A1 и COM1A0 задают режим работы вывода PD5 (0C1A) порта ввода/вывода D.

Биты 5 и 4 COM1B1 и COM1B0 задают режим работы вывода PD4 (0C1В) порта ввода/вывода D.

Биты 3 и 2 FOC1A и FOC1B. Эти биты действуют только в обычном режиме работы при подсчете временных интервалов. При записи в них логической «1» происходит срабатывание прерывания по совпадению соответствующего канала таймера и изменение выводов таймера 0C1A и 0C1B в соответствии с настройками бит C0M1A1:C0M1A0, C0M1B1:C0M1B0.

Биты 1 и 0 WGM11, WGM10. Эти биты определяют режим работы таймера вместе с управляющими битами регистра TCCR1B.

Бит 7 - ICNC1. Этот бит включает функцию фильтрации внешнего сигнала, поступающего на вывод PB1 микроконтроллера, когда таймер используется в качестве счетчика. Установка бита увеличивает надежность работы таймера. При активации этого бита между подачей сигнала на вывод PB1 и срабатыванием схемы счета проходит 4 периода тактовой частоты.

Бит 6 - ICES1. Этот бит определяет активный фронт сигнала на входе PB1. При ICES1=0 таймер срабатывает по спадающему фронту сигнала, иначе - по нарастающему фронту.

Биты 3...0 CS12...CS10. Эти биты определяют источник задания частотытаймера Т1 и предделитель таймера (таблица 6).

Таблица 6. Функции бит CS02, CS01, CS00 таймера Т1

CS02	CS01	CS00	Пояснение
0	0	0	Нет источника. Таймер остановлен.
0	0	1	Предделитель fCLK/1
0	1	0	Предделитель fciK/8
0	1	1	Предделитель /clk/64
1	0	0	Предделитель fCLK/256
1	0	1	Предделитель fCLK/1024
1	1	0	Внешний сигнал на выводе Т1. (по спадающему фронту)
1	1	1	Внешний сигнал на Т1. (по нарастающему фронту)

В данном проекте таймер/счетчик Т1 работает в режиме подсчета сигналов датчиков пройденного пути по координатам манипулятора (внешний вход). Поэтому инициализация устройства может быть проведена следующим фрагментом программного кода:

clr r16 ; обнуление регистров счетчика

out TCCR1B,r16

out TCCR1A,r16

out TCNT1H,r16

out TCNT1L,r16

ldi r16,(1<< ICNC1 | 1<< ICES1 | 0<<CS00) ;таймер остановлен

out TCCR1B,r16

Последовательный интерфейс (линии PD0, PD1) используется в данном проекте только как средство, позволяющее включить пост токарной обработки в общую систему производственного процесса. В автономном варианте работы станка используются кнопки «пуск» и «стоп», в комплексном режиме, для запуска программы необходимо дождаться приема последовательности кодов «19»»67». По окончании обработки кассеты передать в сеть код «19»»57».

Проводим инициализацию устройства последовательного интерфейса:

для USART (семейство Mega) при частоте 8 МГц

ldi temp,52 ;9600 при 8 МГц

out UBRRL, temp

ldi temp, (1«RXEN) | (1«TXEN) ;разрешение приема-передачи

out UCSRB,temp

ldi temp, (1«URSEL) I (3«UCSZ0) ;UCSZ0=1, UCSZ1-1, формат 8nl

out UCSRC,temp

Поскольку до прихода команды «пуск» станок и робот бездействуют, прием команды можно организовать простейшим способом, заключающимся в бесконечном цикле ожидания приема. Когда принятый байт окажется в регистре данных, автоматически устанавливается бит RXC регистра статуса. Этот регистр называется UCSRA. Данные при этом будут находиться в регистре UDR.

In_com: прием байта в temp с ожиданием готовности

sbisUCSRA, RXC

rjmpin_com

intemp,UDR ;собственноприем байта

ret ;возврат из процедуры In_com

Отметим, что вызывать эту процедуру предпочтительно в основном цикле программы - пока байт не поступит, контроллер будет "висеть" в ожидании. В основном цикле это ожидание будет перемежаться с событиями, вызывающими прерывания, а если вызвать процедуру IN COM из прерывания, то это гарантированно "повесит” контроллер, пока байт все-таки не придет. Гораздо проще дело обстоит с передачей, потому что там приходится всего лишь ожидать, пока передатчик UART не освободится. За это отвечает бит udre в том же регистре ucsra (один из немногих битов I/O-регистров, который по умолчанию установлен в единичное значение), что иллюстрирует листинг:

Out_com:;посылкабайтаиз temp с ожиданием готовности

sbisUCSRA,UDRE

rjmpout_com

outUDR,temp;собственно посылка байта

ret ;возврат из процедуры Out_com

2.4 Алгоритм работы токарного роботизированного комплекса

В связи с новыми требованиями к программному обеспечению робототехнического токарного комплекса, вызванными установкой дополнительных датчиков положения вертикальной координаты манипулятора, потребовалось изменить алгоритм программного обеспечения. Кроме того, в алгоритм программного обеспечения будут встроены новые возможности, которые отсутствовали в старой версии программного обеспечения и ограничивали возможности комплекса:

- возможность пуска программы системой управления верхнего уровня;

- взятие очередной заготовки до окончания обработки предыдущей, что позволит значительно сократить полное время обслуживания кассеты;

- установка заготовки в патрон станка производится по сигналу оптического датчика, установленного непосредственно на станке, а не по расстоянию, пройденному продольной координатой манипулятора;

- подвод захвата к заготовке и детали производится по сигналу оптических датчиков, установленных непосредственно в механизмах схвата манипулятора, что позволяет отказаться от предварительной настройки координат манипулятора на ориентировочную высоту заготовок в кассете и использовать установку для обработки произвольной номенклатуры деталей в одной транспортно-накопительной системе.

Общий алгоритм работы системы управления манипулятором представлен на рисунках 2.5 и 2.6. Большинство блоков алгоритма представляют собой подпрограммы, которые вызываются в определённом алгоритмом работы порядке. Техническим заданием не предусмотрена возможность одновременного движения двух и более координат.

Рисунок 2.5 Алгоритм работы манипулятора



Рисунок 2.6 Алгоритм работы манипулятора (окончание)

3. Разработка программного обеспечения системы управления манипулятором

3.1 Распределение констант в памяти

В новой реализации алгоритма и принципов работы манипулятора отсутствует необходимость использовать несколько типов кассет для заготовок. Таким образом, нет необходимости в информации о типе кассеты, количестве рядов и столбцов заготовок, а также таблицы соответствия расстоянием между столбцами и рядами и типом кассеты. В новом алгоритме фиксируется четыре константы:

- расстояние от начальной точки манипулятора до первого столбца кассеты (360 единиц, место хранения - R4, R5);

- расстояние от начальной точки манипулятора до первого ряда кассеты (180 единиц, место хранения - R6, R7);

- расстояние между столбцами кассеты по продольной оси станка (200 единиц, место хранения - R8, R9);

- расстояние между рядами кассеты по перпендикулярной оси станка (200 единиц, место хранения - R10, R11);

– текущее расстояние для отработки координаты - R12, R13;

– номер очередной обрабатываемой заготовки - R14;

- количество заготовок в кассете (максимальное значение 20, что соответствует четырем рядам по пять столбцов в каждом ряду). Эта величина не является константой, а принимается по последовательному каналу от системы управления верхнего уровня и хранится в регистре R15. При ручном пуске количество деталей определяется количеством нажатий кнопки пуск с интервалом между нажатиями менее секунды. По истечении 1 секунды с момента последнего нажатия количество фиксируется в регистре R15.