Главная
База знаний "Allbest"
Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Микропроцессорный контроллер системы управления фрезерным станком
Микропроцессорный контроллер системы управления фрезерным станком
Разработка системы управления фрезерного станка. Описание механизма и механотронной системы. Выбор микроконтроллера для реализации системы управления. Выбор электронных ключей и драйверов. Разработка протокола взаимодействия и логики работы устройства.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 22.05.2014 |
| Размер файла | 2,5 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru
Размещено на http://www.allbest.ru
Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации
ГБОУ СПО РО "Ростовский-на-Дону колледж радиоэлектроники, информационных и промышленных технологий"
Колледж РКРИПТ
Кафедра 220703 АТПП
Специальность АТП
Курсовая работа
по курсу
"Механотронные системы"
Микропроцессорный контроллер системы управления фрезерным станком
Выполнил студент Голубов Н.А.
Проверил Дерий О.Ю.
Ростов на Дону 2014
Техническое задание
В курсовой работе необходимо разработать систему управления фрезерного станка. Перемещение платформы происходит по двум осям и с позиционированием фрезы по вертикали на заданную глубину.
Интерфейс с пользователем обеспечивается через тестовый ЖКИ - индикатор, на котором ведется отображение состояния станка и 10-ти или 16-ти клавишную клавиатуру, через которую ведется управление. Допускается как компьютерное, так и ручное позиционирование фрезы, отвод ее в начальное положение, повтор программы фрезерования и т.п. функции.
Для оценки положения системы и ее состояния, рассмотрим перечень используемых в системе датчиков. Для определения начального и конечного положения рабочего узла и столика подачи детали, используем оптические датчики всего 6 штук по осям X,Y и Z. Для обеспечения требуемой точности используются угловые датчики поворота червячного привода, позволяющие определить перемещение стола крепления детали с точностью до 1 микрона, для контроля и защиты электродвигателей используются 4 датчика тока порогового типа и четыре датчика температуры.
В качестве исполнительных устройств, предусматривается три 12В двигателя, которые обеспечивают перемещение рабочего столика по координатам X, Z и третий опускает или поднимает саму фрезу по координате Y. Так как усилие на фрезе достаточно велико, а алгоритм управления прост вкл/выкл, решено использовать наиболее эффективный, в таком случае, трехфазный двигатель переменного тока на 380В.
Обмен с компьютером рекомендуется выполнять через USB или COM порт, при этом предусматривается загрузка управляющей программы во флэш ПЗУ до 1 Мб.
Оглавление
- Техническое задание
- 1. Описание механизма и механотронной системы
- 1.1 Анализ схемы механической части
- 1.2 Особенности реализации элементов механической части
- 1.3 Выбор приводов механизма станка
- 2. Разработка принципиальной схемы системы управления
- 2.1 Разработка функциональной схемы системы управления
- 2.2 Выбор микроконтроллера для реализации системы управления
- 2.3 Выбор используемых датчиков для контроля состояния системы
- 2.4 Выбор электронных ключей и драйверов системы управления
- 2.5 Выбор дополнительных элементов системы управления
- 2.6 Общее описание принципиальной схемы системы управления
- 3. Разработка протокола взаимодействия и логики работы устройства
- 3.1 Общее описание логики работы мехатронной системы
- 3.2 Алгоритмы взаимодействия для реализации управления
- Заключение
- Литература
1. Описание механизма и механотронной системы
1.1 Анализ схемы механической части
В данной работе, требуется произвести разработку системы управления и автоматизации для одной из существующих моделей фрезеровального станка. Мной проведен выбор из всего спектра предложенных на рынке вариантов для определения наиболее подходящей модели. Также произведен поиск и рассмотрены уже существующие станки с системой микропроцессорного управления или иначе с ЧПУ.
Было решено рассматривать механическую схему без детализации, а просто по изображению снятому в перспективе. Для наглядности в графическом редакторе схематично нанесены места установки трех дополнительных шаговых двигателей, которые обеспечат возможность электронного управления перемещением, как рабочего стола, так и фрезы. При этом также сохраняется возможность ручного управления и наблюдения за положением стола и фрезы по механическим счетчикам. Рассмотрим позиции устанавливаемых дополнительно на станок двигателей и их функции. Д1 - двигатель устанавливается вместо левого маховика привода рабочего стола по оси Х. Д2 - двигатель который обеспечивает вращение привода по оси Z и через редуктор устанавливается на обратную от рукоятки сторону червячной подачи. Д3 - обеспечивает подачу фрезы по вертикали и может быть установлен как и Д2 с левой стороны станка, чтобы сохранить ручное управление. Д4 - двигатель привода самой фрезы, уже имеется в трехфазном исполнении.
1.2 Особенности реализации элементов механической части
Для дальнейшей разработки будем более подробно рассматривать механическую часть системы. Стандартно станок имеет вертикальную подачу вращающегося инструмента - фрезы и подвижный по двум осям X и Z рабочий столик, на который крепиться деталь. На данном фото тиски для крепежа не установлены, но они входят в комплект и закрепляются в направляющих пазах рабочего стола. В базе станок управляется ручными подачами, приводящими в движение столик или перемещающими фрезу по вертикали. Две подачи преобразуют вращательное движение в поступательное через червячный привод X Z, а третья вертикальная подача обеспечивает привод и фиксацию через редуктор и реечную передачу ось Y. В данном случае, наиболее простым техническим решением является установка двигателей параллельно с ручными приводами. Так как двигатели решено устанавливать на существующие червячные приводы, то необходимо учесть необходимость наличия редукторов обеспечивающих возможность поворота минимум на 1 градус, что соответствует 1-му микрону подачи фрезы в том или ином направлении или подачи рабочего стола.
Для обеспечения правильного начального позиционирования и расчета действующей позиции микропроцессорной системой управления, требуется вначале перевести все подачи, в так называемое нулевое положение, из которого они уже начинают отсчет конкретной позиции. Для этого станок следует до оснастить тремя датчиками начального положения, установленными на станине. Так как в качестве приводов позиционирования решено использовать шаговые двигатели, передающие вращательный момент на червячную передачу, то можно не использовать датчики оборотов, через которые в обычных двигателях рассчитывается перемещение рабочего стола и привода фрезы. Учитывая, что станок небольшой мощности и преобразование вращательного движения шаговых двигателей осуществляется через редуктор, то можно использовать достаточно слабые 12В шаговые двигатели. Наиболее нагруженный привод фрезы приводится во вращение через имеющийся на станке редуктор, с помощью трехфазного двухкиловаттного двигателя. Этот привод не требует, какой либо механической доработки и нуждается только в соответствующем электронном управлении пускателем, действующем параллельно кнопкам на базовом пульте (модификации станка должны быть минимальны). Но данный пульт имеет простейшую защиту по току, по моему мнению, недостаточную для защиты двигателя от повреждения, в случае заклинивания фрезы, потому необходимо его оснастить более интеллектуальной защитой, как по току, так и по температуре.
Учитывая усилия резки и массу перемещаемых по вертикали двигателя, редуктора и выдвижного вала с держателем можно предположить, что передаваемое передачей усилие для надежной работы должно быть не менее 20 - 40 кг. Рассматривая червячный привод с малым шагом используемый в данной системе, определим ее коэффициент преобразования в 1000 т.е. При 40 кг двигатель на валу должен развивать усилие не менее 0.04 кг. Также должны быть обеспечены дополнительные системы смазки, снижающие усилие на червячном валу и приводной гайке. Смазку предусматривается выполнять статически без специальных систем подачи, поэтому не требуется для этого дополнительных электроприводов.
1.3 Выбор приводов механизма станка
Исходя из рекомендованных параметров и рекомендаций использовать двигатели шагового типа. Необходимо выполнить выбор конкретной модели двигателя из имеющегося в ассортименте в свободной продаже. Дополнительно зададим параметр питающего напряжения в 12В, это упростит систему управления. В продаже имеется большой спектр двигателей с подобными параметрами. После поиска в интернете, мной был найден наиболее подходящий вариант, который продается также и Ростовскими фирмами. Выбран шаговый двигатель Nema 23HS5602 рис.1.2, имеющий следующие параметры:
Шаг, гр: 1,8 Длина, мм: 51 Ток, А: 0,8 Сопротивление фазы, ом: 6,8 Индуктивность, mH: 9,2 Момент удержания кг*см: 6,2 Кол-во выводов: 6
Угол поворота за один шаг: 10 Вес, гр.: 590
Рис. 1.2 Схема включения двигателя и его внешний вид.
Двигатель допускает два типа включения: биполярный, когда используются четыре вывода и униполярный на шесть выводов с заземленной средней точкой.
Рассматривая момент удержания 6кг. см при требовании 4 кг. см, мы можем его применять с запасом в полтора раза по требуемому усилию, для наиболее нагруженной вертикальной подачи. Для менее нагруженных горизонтальных подач запас по моменту силы составляет более двух. Учитывая то, что угол на шаг 1.80 градусов требуется редуктора 1: 18 что обеспечит требуемый 1 градус, что соответствует 1 микрону на механизме подачи.
контроллер фрезерный станок управление
2. Разработка принципиальной схемы системы управления
2.1 Разработка функциональной схемы системы управления
Перед началом проектирования принципиальной схемы, необходимо выполнить предварительную разработку функциональной схемы системы управления, а уже по ней обеспечить построение конкретной электрической схемы системы управления. После предварительного исследования механической части системы, было выявлено о необходимости наличия в системе управления нескольких датчиков: начального положения, тока и температуры. Также необходимо наличие и ряда других узлов, таких как, ключи управления шаговыми двигателями и ключи управления трехфазным двигателем. Также требуется предусмотреть такие важные элементы интерфейса, как индикатор и клавиатура и ПЗУ, в котором сохраняется переданная компьютером программа обработки детали. Исходя из всех требований, была разработана структурная схема системы управления рис. 2.1.
Рис. 2.1 Структурная схема системы управления фрезерным станком
МК - микроконтроллер к нему подключена вся остальная периферия;
ДНП1, ДНП2, ДНП3 - датчики начального положения платформы и фрезы;
ДТ1 - датчик тока для трехфазного двигателя привода фрезы;
ДТ - датчик температуры двигателя привода фрезы;
АЦП - аналогово-цифровой преобразователь для оцифровки датчиков тока;
К - контроллер клавиатуры для ручного управления;
USB - адаптер для сопряжения МК с компьютером через шину USB;
ДД1, ДД2, ДД3драйверы шаговых двигателей перемещения по осям X,Y и Z;
ПЗУ - постоянное запоминающее устройство для сохранения программы управления;
КПФ - ключи управления приводом фрезы, Д фрезы - двигатель фрезы;
ЖКИ - жидкокристаллический индикатор для отображения состояния станка.
Первично система управления выполняет процедуру начальной инициализации и само тестирования всех систем станка. Для этого постоянно считываются данные с датчиков начального положения ДНП1, ДНП2, ДНП3, а на драйверы приводов передаются сигналы для перемещения станины и приводы фрезы ДД1, ДД2, ДД3, чтобы они установились в 0 точку отчета. Этот процесс обеспечивается перемещением как столика для крепления детали, так и самой фрезы в крайние максимально удаленные положения. Движение выполняется до момента срабатывания соответствующих датчиков начального положения или системы защиты. Как только система позиционирована по нулевым точкам, выполняется запуск привода фрезы КПФ и оценивается ток ДТ1 и рост температуры ДТД при вращении фрезы, это позволяет определить работоспособность трехфазного двигателя и наличие всех трех фаз.
Далее система переходит в состояние ожидания приема команд от компьютера или от оператора непосредственно с клавиатуры. На клавиатуре предусмотрены следующие клавиши:
Старт \стоп - запускает или останавливает процесс обработки детали:
+Х - перемещение рабочего стола вправо;
Х - перемещение рабочего стола влево;
+Z - перемещение рабочего стола в глубину;
Z - перемещение рабочего стола на себя;
Y - опускание фрезы вниз;
+Y - поднимание фрезы вверх;
Руч. - переключение в ручной режим с отключением всех шаговых двигателей и переход на ручную подачу с помощью рукояток, сопротивление двигателей при этом минимально.
2.2 Выбор микроконтроллера для реализации системы управления
Основные требования для выбора данного микроконтроллера:
наличие достаточного количества портов ввода-вывода.
наличие программного пакета для написания и отладки программы микроконтроллера.
достаточная изученность микроконтроллера.
Для реализации МПС были выбраны 3 контроллера: МК AT89S52, AVR Atmega8 и PIC16F628. Для выполнения выбора подробнее рассмотрим каждый из контроллеров.
|
AVR (ATmega8) |
PIC (16F628) |
MK-51 (AT89C52) |
||
|
ПЗУ (память программ) |
8 Кб |
2 Кб |
8 Кб |
|
|
Таймеры/счетчики |
2 (8 разрядов) 1 (16 разрядов) |
1 (8 разрядов) |
3 (16 разрядов) |
|
|
Число портов ввода/вывода |
23 |
13 |
32 |
|
|
Питание |
4,5-5,5 |
3,0-5,5 |
4,0-5,5 |
|
|
Архитектура |
RISC |
RISC |
CISC |
|
|
Тактовая частота |
16МГц |
10МГц |
24МГц |
|
|
Память данных |
128 байт |
68 байт |
256 байт |
|
|
Стоимость |
100 руб. |
95 руб. |
60 руб. |
Мной были выбраны две серии 51 и AVR как имеющие большое число портов при невысокой цене и сложности программирования и освоения информации о них. Обе серии имеют свои преимущества и недостатки. Первая рассмотренная 51серия имеет больше команд и более проста в программировании. Вторая серия AVR имеет немного большее быстродействие, но ограниченную систему команд, что требует реализовывать часть функций за счет выполнения подпрограмм, это требует большего объема памяти программ и усложняет программирование. Исходя из последнего фактора, мной в качестве базовой была выбрана 51 серия, а конкретно AT89C52. Этот контроллер имеет развитую периферию и встроенные таймеры 3 шт., а также достаточный объем памяти программ 8кб (достаточно для хранения программы управления). Скорость обработки информации не так важна, потому использование немного более быстрого AVR не оправданно. В целом можно сказать, что контроллер AT89C52 полностью удовлетворяет по числу портов, встроенной периферии и быстродействию.
2.3 Выбор используемых датчиков для контроля состояния системы
Для контроля состояния системы нами предусмотрено использование нескольких датчиков: тока, температуры и начального положения. После рассмотрения нескольких аналоговых и нескольких цифровых датчиков обеспечивающих реализацию поставленных требований, были проанализированы их достоинства и недостатки. Рассмотрим аналоговые датчики, они требуют не только наличия дополнительной микросхемы преобразования - АЦП, но и использования специальных прецизионных схем усиления и коррекции. Однако они обычно имеют большее быстродействие, чем цифровые, но в данном случае это преимущество не актуально. Главный недостаток аналоговые датчики с требуемыми электронными цепями значительно усложняют разрабатываемую схему. Второй недостаток аналоговых датчиков слабая помехозащищенность. Цифровые датчики обладают рядом достоинств, таких как встроенный тарированный измерительный элемент, встроенная в него схема усиления и коррекции измерения и цифровая система адресной последовательной передачи по протоколу Iware или I2C. Такое решение позволяет обеспечить передачу данных от нескольких датчиков по одной линии также позволяет адресно обращаться для считывания каждого из датчиков, однако имеет недостаток невысокую скорость обработки информации. Учитывая, что нам требуется обрабатывать медленно протекающие процессы с периодичностью более секунды, то последний недостаток нам несущественен и его значительно перевешивают достоинства (помехозащищенность, точность и последовательная передача данных). Для измерения температуры было решено использовать специализированный датчик DS18B20.
DS18B20 - цифровой термометр с программируемым разрешением от 9 до 12-bit, которое может сохраняться в EEPROM памяти прибора. DS18B20 обменивается данными по 1-Wire шине и при этом может быть как единственным устройством на линии, так и работать в группе. Все процессы на шине управляются центральным микропроцессором.
Диапазон измерений от - 55°C до +125°C и точностью 0.5°C в диапазоне от - 10°C до +85°C. В дополнение, DS18B20 может питаться напряжением линии данных (“parasite power”), при отсутствии внешнего источника напряжения.
Каждый DS18B20 имеет уникальный 64-битный последовательный код, который позволяет, общаться с множеством датчиков DS18B20 установленных на одной шине. При использовании данного датчика или группы можно их подключить цепочкой на одну линию данных, которая запитана через резистор 4.7к от +5В.
Так как датчиков тока работающих по шине Iware не было найдено, то было решено использовать промышленный датчик измерения постоянного и переменного тока ДТХ-5-30 основанный на эффекте холла и позволяющий бесконтактно считывать токи от 0 до 30А, что соответствует мощности 6.6КВт, при том что на станке используется двигатель 2.5КВт этот диапазон полностью перекрывает требуемый. Погрешность датчика 1% нелинейность 0.1%, питание 12В. Так как датчик дает аналоговый сигнал для его сопряжения с контроллером используем АЦП, подключаемое по шине Iware - DS2450. В данной схеме нам необходимо контролировать токи по трем фазам и один канал остается в резерве и может быть использован как ключ для индикации аварии световым и звуковым способом.
DS2450 представляет собой четырехканальный АЦП. Он имеет 8-битную точность и может сопрягаться с широким множеством датчиков и приборов, оцифровывать сигнал и передавать его на устройства сбора и обработки данных по простой однопроводной сети 1-Wire. Встроенный уникальный серийный номер позволяет объединить множество DS2450 с помощью однопроводной сети 1-Wire и получить доступ к конкретному датчику в пределах сети.
Особенности:
· Четырехканальный АЦП на одном последовательном порту
· Питание через вход Vcc или паразитное через линию передачи данных
· 8-битная точность, 16-битная разрешающая способность
· Два диапазона входных измерений: 0В-2.56В и 0В-5.12В
· Напряжение питания от 4.5B до 5.5В; рабочий диапазон температур от - 40°С до +85°С
· Неиспользуемые аналоговые каналы могут быть сконфигурированы для работы в качестве ключа с открытым коллектором.
· Время преобразования - 80 мкс/бит (в худшем случае). Пример: 3 канала, разрешение 9 бит = 3х9х80мкс+160мкс инициализация=2.32мс=140 выборок по каждому каналу в секунду
· Уникальный серийный номер (ID) позволяет однозначно определить конкретный датчик в качестве источника измерений
. Дополнительно также используются оптические датчики начальной позиции типа шторка в зазоре между светодиодом и фототранзистором. Эти датчики нашли широкое применение в различных устройствах автоматики и обеспечивают требуемую точность позиционирования. Датчики подключены к такому же АЦП DS2450. Данное решение позволяет определять точность достижения 0-ой позиции по максимуму сигнала, снимаемого с фототранзистора и обеспечивает удобную помехозащищенную передачу по последовательному каналу данных. Подключение выше представленных датчиков через экранированную коаксиальную линию позволяет полностью защититься от наводимых трехфазным двигателем помех.
2.4 Выбор электронных ключей и драйверов системы управления
Рассматривая различные варианты исполнительных ключей от примитивных релейных (с малой надежностью и долговечностью) до транзисторных и специальных микросхем драйверов, я пришел к выводу, что наиболее оптимальным решением упрощающим схему и обеспечивающим требуемые параметры по току, является использование специализированных микросхем - драйверов двигателя A4983. Эти микросхемы широко применялись в старых пятидюймовых дисководах и использовались для питания выбранного ранее двигателя в ряде устройств автоматики. Микросхемы в базовом варианте обеспечивают ток до 1 А, что достаточно для питания, а малый запас по мощности требует применения небольших радиаторов в пике нагрузок рассеивающих избыточную мощность и обеспечивающих повышение надежности системы в целом. Так как микросхемы имеют специальную встроенную защиту по току и от перегрева, то решено на эти каналы токовую защиту не ставить, так как ее обеспечивает сама микросхема драйвера.
В качестве коммутирующего элемента на трехфазный двигатель привода фрезы было решено взять простые электронные оптосемисторные ключи коммутирующие параллельно кнопкам пускателя двигателя. Такое решение обеспечит простоту конструкции с минимальным вмешательством в электрику станка. Ток коммутации выбранного широко распространенного оптосемистора MOC306 составляет 1 А, а это в четыре раза больше, чем требуется для управления электронным пускателем станка.
2.5 Выбор дополнительных элементов системы управления
Дополнительно в схеме использована специальная микросхема FT232RL, которая обеспечивает сопряжение встроенного последовательного порта контроллера и с USB портом компьютера. Последний был выбран, потому что более простой в сопряжении порт COM часто не устанавливается не на ноутбуки ни даже на компьютеры. И такое сопряжение, при установке соответствующих драйверов, обеспечивает создание виртуального COM порта, хотя физически обмен ведется по шине USB.
Также в перечень дополнительных устройств входит ПЗУ последовательного типа 24C1024 на 1мб. ПЗУ подключается по шине I2C, для чего использованы два канала микроконтроллера P36/P37 имеющие встроенную поддержку данного протокола, что еще более упрощает программирование всей системы управления. В нем хранится управляющая программа необходимая для обработки детали, которая загружается через USB с управляющего компьютера.
Для ручного управления и ввода данных оператором, решено использовать специализированную микросхему клавиатурный шифратор на 8-мь клавиш. К155ТВ1, которая определяет, какая из клавиш нажата и передает код клавиши всего по трём проводам, что сокращает число необходимых для использования портов.
Рис 2.2 - условное графическое обозначение ИМС К155ИВ1
Для вывода информации выбран знакосинтезирующий LCD индикатор РС2404, имеющий четыре строки по 24 символа в строке. Такое решение продиктовано тем, что для отображения информации требуется 3 строки на вывод позиций по координатам X, Y, Z и строка состояния для вывода шага программы управления и состояния например норма или ошибка.
Для управления им используется две дополнительные шины RS - выбор команды, E - стробирующая запись данных в индикатор.
GND - потенциал общего провода ("земли");
E - линия стробирования/синхронизации;
RS - линия выбора регистра;
RW - линия выбора операции;
CS - Chip Select;
DB (0-7) - линия данных
Рис 2.3 - условное графическое обозначение ЖКИ
ЖКИ допускает подключение как по 4-х проводной линии данных, что экономит порты контроллера, так и по 8-ми проводной линии, что упрощает его программирование, потому и был выбран второй вариант подключения.
2.6 Общее описание принципиальной схемы системы управления
Все отдельные узлы принципиальной схемы были рассмотрены выше, потому перейдем к рассмотрению ее функционирования и построения в целом.
Как указывалось ранее, главным звеном в данной схеме является контроллер, который обеспечивает как прием информации с датчиков, ее обработку и передачу команд управления на электронные ключи, и драйверы двигателей.
Рассмотрим схему подключения датчиков к контроллеру.
Учитывая то, что датчики начального положения значительно удалены от самого контроллера и имеют среднюю помехозащищенность, было решено использовать дополнительный АЦП для снятия с них показаний. Датчики выбраны оптического типа стандартная оптопара на просвет SG-206 (3шт), которая обеспечивает ток коммутации транзистором до 50мА при токе диода 10-20мА. Датчик имеет встроенный резистор для питания светодиода от 5В. Но для повышения помехозащищенности решено питать данный датчик от 12В присутствующих в системе управления. Все три датчика подключаются к АЦП DS2450 и по максимальному уровню оптического сигнала, что соответствует мнимому напряжения на коллекторе фототранзистора, определяется достижение 0 позиции в одном из направлений перемещения.
Датчики тока также 3шт накладываются на поверхность силовых проводников (так обеспечивается бесконтактное считывание протекаемого тока) через которые передается питание на трехфазный двигатель. Так как выходы датчиков аналоговые, для них также потребовался АЦП DS2450. Система управления при этом может оценивать не только критические значения тока, но и величину разницы - так называемый перекос фаз, который также опасен для двигателя и может привести к его поломке. Таким образом, данный комплект датчиков может обеспечить требуемую интеллектуальную защиту двигателя от аварийных режимов работы.
Следующий защитный датчик измеряет температуру, он медленный измерение происходит раз в секунду, но и рост температуры на двигателе протекает очень медленно по сравнению с остальными процессами. Этот датчик также обеспечивает защиту от повышенного перегрева в случае фрезерования особо твердых металлов или наоборот вязких как алюминий. Диапазон до +125 градусов в этом случае достаточен, так как при температуре свыше 110 градусов следует или снизить нагрузку или остановить станок, так как постепенно может разрушаться лаковая изоляция обмоток двигателя, что приведет в дальнейшем к пробою обмоток. Также процесс роста температуры позволяет оценивать правильность выбранных режимов обработки детали и необходимость своевременного обслуживания станка (чистки, смазки и т.п.).
Для непосредственного управления используется простая клавиатура и чтобы упростить программную обработку и снизить число использованных портов было решено применить клавиатурный шифратор, сразу формирующий и прерывание при нажатии на клавишу и выдающий код клавиши на порт контроллера в двоичном виде. Это все заметно упрощает написание программы управления, а значение и функции клавиш были рассмотрены ранее.
Как указывалось ранее, сейчас компьютеры редко имеют порт последовательный порт Com напрямую совместимый со встроенным портом контроллера поэтому приходиться применять специальный преобразователь USB - COM который создает в системе виртуальный последовательный порт и обеспечивает простой обмен через него, минуя сложный протокол USB. Все это также значительно упрощает программную часть.
ПЗУ, как указывалось, подключено через встроенный в контроллер блок поддержки протокола I2C. И это также значительно упрощает программирование. В отличие от него протокол Iware не имеет аппаратной поддержки и реализуется полностью программно, однако учитывая, что в среде разработки программ есть библиотеки подпрограмм для данного протокола его также несложно реализовать.
Двигатели мной выбраны двух обмоточные 12-ти полюсные, что позволяет обеспечить поворот при одном шаге в 15 градусов. Управление ведется программно, при этом драйверу двигателя задается направление тока на обмотках + - или - + и определяется какая обмотка включена а какая нет. Один драйвер в данном случае управляет одним двигателем, так как микросхема драйвера имеет два канала управления (по числу обмоток).
Семисторная оптопара обеспечивает развязку высоковольтных цепей и микроконтроллера. Также она работает в простом режиме вкл - оптопара замкнута или выкл - оптопара разомкнута и она включается в разрыв подачи цепи питания. Когда станок переводится в ручное управление, оптопара автоматически замыкается и управление идет напрямую с кнопок станка.
3. Разработка протокола взаимодействия и логики работы устройства
3.1 Общее описание логики работы мехатронной системы
Рассмотрим основные функции системы в общем алгоритме функционирования.
Первично система управления выполняет процедуру начальной инициализации и самотестирования всех систем станка. Этот процесс обеспечивается перемещением как столика для крепления детали, так и самой фрезы в начальные положения, до момента срабатывания соответствующих датчиков начального положения. Как только система спозицонирована по нулевым точкам, выполняется запуск привода фрезы и оценивается ток и рост температуры при вращении фрезы в течение минуты. Если тест пройден успешно то система переходит в состояние ожидания, в котором осуществляется прием команд и программы управления от компьютера или нажатие клавиш пользователя о чем выводиться сообщение на ЖК экран.
При нажатии любой клавиши на клавиатурный шифратор передает код нажатой клавиши контроллеру и тот принимает решение какое действие нужно выполнить, в результате выполняется какое либо действие, например перемещение или включение фрезы и т.п. На ЖКИ выводится информация о позиции резца и его состояния включено вращение или нет.
Если же выполняется загрузка компьютером программы управления, то автоматически система запрашивает разрешение оператора на старт. Программа управления загруженная с компьютера сохраняется в ПЗУ, подключенному к контроллеру. Оператор после закрепления детали на рабочем столе выполняет старт программы обработки, и станок сам под управлением контроллера перемещает рабочий стол и фрезу в установленные программой позиции и при этом контролирует нагрузку на станок и перегрев привода фрезы. Далее удалив обработанную деталь по завершению программы обработки, оператор выполняет установку новой детали и запускает повтор программы обработки.
В процессе выполнения программа может быть составлена пользователем или системой управления в случае срабатывания процедур защиты, например по превышению тока или по нажатию соответствующий клавиши. Все действия и шаги станка отображаются на ЖК дисплее.
3.2 Алгоритмы взаимодействия для реализации управления
Как описывалось ранее в данной мехатронной системе производиться начальная инициализация, как самого контроллера, так механической части перемещением всех узлов в начальные положения. Далее система оценив то что при перемещениях не возникло превышения токов и температуры переходит в режим ожидания приема команд программы управления от компьютера.
Обмен с компьютером начинается с команды FF передаваемой после долгой паузы. Далее компьютер начинает загружать шаги программы. Описание каждого шага занимает 8 байт:
1 и 2 байты перемещение по оси X в первом байте в мм во втором в микронах;
3 и 4 байты перемещение по оси Y в первом байте в мм во втором в микронах;
5 и 6 байты перемещение по оси Z в первом байте в мм во втором в микронах;
7 байт указывает вращение фрезы или ее останов и время выполнения шага;
8 байт резервный и равен 00 но в последнем байте программы признак FF указывающий что передача программы заканчивается.
Пакеты данных по 10 байт принимаются и сохраняются во внешнем флешь ПЗУ по протоколу I2C и далее в процессе работы, также блоками по 10 байт будут изыматься для выполнения команды по каждому следующему шагу. Если после паузы приходит новый блок команд, то работа по предшествующей программе прекращается и осуществляется перевод узлов в нулевые позиции. Как только программа принята, на ЖК экран выводиться сообщение закрепите деталь и нажмите кнопку пуск. После закрепления детали согласно параметрам, заданным в чертеже или представленным компьютером производиться запуск.
В случае если требуется изготовление множества однотипных деталей, оператор после крепления на рабочий стол каждой следующей заготовки, он осуществляет повторный запуск и программа снова выполняется начиная с нулевого шага. Перезагрузка программы осуществляется всегда с нулевого шага, и программа загружается полностью.
Помимо программного управления допускается управление с клавиатуры, хотя оно менее удобно но иногда требуется для коррекции, например при неправильном креплении детали. Так оператор клавишей Старт\Стоп может приостановит выполнение программы и клавишами перемещений по заданным осям (+ и - ) может выполнить подвижку рабочего стола или фрезы, для этого используется соответствующие шесть кнопок.
Описание используемых интерфейсов.
Протокол 1 WIRE определяет структуру сообщений, которая используется и распознаётся устройствами, подключёнными к однопроводному интерфейсу.
Он описывает способ запроса устройством (ведущим) доступа к другим устройствам (ведомым) и способ ответа на запросы. Обмен сообщениями по линии связи возможен при наличии в сети одного ведущего устройства и одного или нескольких ведомых устройств.
Сообщения могут быть нескольких видов:
- инициализация линии;
- команды доступа к ПЗУ;
- команды доступа к памяти;
- команды чтения данных.
Обмен сообщениями по 1 WIRE начинается с инициализирующей последовательности, состоящей из импульса сброса, передаваемой ведущим и ответным импульсом присутствия. Появление импульса присутствия является признаком наличия в линии одного или нескольких ведомых устройств.
После получения импульса присутствия ведущий может отправить одну из следующих команд доступа к ПЗУ:
- Команда чтения ПЗУ [33h].
Эта команда позволяет прочитать идентификатор устройства, 48 битный серийный номер и контрольную сумму. Эта команда может быть использована только при наличии одного ведомого на линии во избежание коллизий при одновременном ответе нескольких устройств.
- Команда совпадения ПЗУ [55h].
Эта команда, за которой следует 64 битный уникальный код устройства, позволяет ведущему получить доступ к конкретному устройству при наличии нескольких устройств на линии.
- Команда пропуска ПЗУ [CCh].
Команда применима только в том случае, если на линии присутствует только одно устройство и обеспечивает доступ к нему без передачи уникального серийного номера.
- Команда поиска ПЗУ [F0h].
Эта команда используется для определения серийных номеров всех устройств 1 WIRE.
После команды выбора ПЗУ, в линию связи может быть передана одна из следующих команд транспортного уровня:
- Команда чтения регистра статуса [20h].
Установленный в единицу 5 бит ответного сообщения указывает на готовность нового результата давления, ещё не прочитанного ведущим. Бит 5 сбрасывается в 0 при чтении результата.
- Чтение значения давления [03h].
Ответное сообщение преобразователей содержит три информационных байта и CRC.
Первый байт содержит старшую часть давления в двоично-десятичном виде; второй - младшую часть; третий байт имеет следующую структуру:
D7 - знак числа (0 - положительное, 1 - отрицательное);
D6…D4 - положение десятичной точки в числе, представленном 1 и 2 информационными байтами;
D3 - резерв;
D2…D0 - размерность полученной величины (0 - кПа, 1 - МПа, 2 - кГс/см2, 3 - % от верхнего предела измерений).
Заключение
В процессе выполнения курсовой работы первоначально была изучена поставленная задача, выполнен поиск и обзор аналогов. Был проведен анализ механической части и произведен выбор двигателей необходимых для автоматизации системы. Также было примерно оценено, какие нагрузки будут обеспечивать устанавливаемые двигатели. Далее во второй части по первичному анализу механической системы построена функциональная схема системы микроэлектронного управления и определен перечень всех узлов и их задачи. На втором шаге проведен поиск и выбор всех элементов схемы, и приведено их описание и характеристики. На третьем шаге построена принципиальная схема, которая обеспечила выполнение функций управления.
В третьей главе проанализированы и описаны алгоритмы работы и проведена разработка протокола взаимодействия контроллера и компьютера. В результате разработан словесный алгоритм работы системы управления. В последующем это позволит разработать программу управления.
В целом считаю поставленную передо мной задачу выполненной.
Литература
1. Программирование контроллеров: Методические указания к курсовой работе по дисциплине "Mикропроцессорные системы" / Юж. - Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006. - 51 с.
2. Бродин В.Б., Шагурин М.И. Справочник. Микроконтроллеры: архитектура, программирование, интерфейс - М.: ЭКОМ 1991 г.
3. Ю.С. Магда Микроконтроллеры серии 8051. Практический подход. Москва 2008 г.
4. Н.Ф. Карнаухов Электромеханичекие и мехатронные системы Ростов-на-Дону: Феникс 2006 г.
Приложение
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Анализ существующих систем контроля и управления доступом (СКУД). Разработка структурной схемы и описание работы устройства. Выбор и обоснование эмулятора для отладки программы работы СКУД. Отладка программы системы управления охранной сигнализацией.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 23.03.2015Разработка энергосберегающей системы управления трехфазным асинхронным двигателем главного движения токарного станка. Блок системы управления и датчик скорости в составе устройства. Анализ структуры микропроцессорной системы. Выбор конструкции устройства.
дипломная работа [2,2 M], добавлен 20.07.2014Разработка устройства-системы автоматического управления, которая отвечает за безопасность движения транспорта через железнодорожный переезд. Разработка схемы системы управления, описание программного кода, использование микроконтроллера PIC16F84A.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 10.12.2012Функциональная спецификация, описание объекта, структура системы и ресурсов микроконтроллера. Ассемблирование, программирование микроконтроллера и разработка алгоритма работы устройства, описание выбора элементной базы и работы принципиальной схемы.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 02.01.2010Общая характеристика электроэрозионного оборудования. Описание существующего проволочного станка AC Classic V2. Разработка структурной схемы автоматизированной системы управления. Техническая реализация проекта системы управления и диагностики параметров.
дипломная работа [7,1 M], добавлен 05.04.2012Характеристика и этапы разработки системы управления аппарата по розливу воды в стаканчики. Разработка структурной схемы системы, выбор элементной базы, описание принципа действия и технических характеристик микроконтроллера. Схема управления насосом.
курсовая работа [481,9 K], добавлен 14.11.2010Разработка контроллера управления цифровой частью системы, перечень выполняемых команд. Описание алгоритма работы устройства, его структурная организация. Синтез принципиальной электрической схемы, особенности аппаратных затрат и потребляемой мощности.
курсовая работа [318,8 K], добавлен 14.06.2011Разработка функциональной и принципиальной схемы устройства, расчет его силовой части. Разработка системы управления: микроконтроллера, элементов системы, источники питания. Моделирование работы преобразователя напряжения, программного обеспечения.
дипломная работа [2,4 M], добавлен 22.08.2011Применение гибких производственных систем, проблемы при их создании и внедрении. Обеспечение полностью автоматического и автономного цикла работы токарных станков. Разработка системы управления ГАП (РТК) для горячей штамповки. Выбор системы управления.
курсовая работа [3,5 M], добавлен 16.12.2012Структурная схема системы управления кондиционером. Выбор пульта управления, датчика температуры, вентилятора, микроконтроллера и компрессора. Внутренняя структура и система команд транспортного уровня микросхемы DS18B20. Алгоритм работы кондиционера.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 14.11.2010
