Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации управления технологическими процессами
Патент на изобретение № 2279117
Авторы: Д.В. Мякишев, Ю.А. Тархов, К.А. Столяров
Изобретение относится к управляющим и регулирующим системам управления технологическими процессами. Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей, повышении надежности, улучшении ремонтопригодности. Комплекс содержит объединенные через локальную вычислительную сеть Ethernet рабочие станции и серверы на базе персональных электронных вычислительных машин (ПЭВМ), а также контроллеры и функциональные модули. Встроенные в каждый модуль функциональные (МФ) программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) поддерживают «зашивку» практически любых алгоритмов обработки сигналов и управления, адекватных задачам, которые возлагает проектант на данный модуль. Возможны три варианта построения систем на базе средств комплекса: централизованного управления; локального управления; распределенного управления. Во всех трех вариантах модуль центрального процессора (под управлением программного обеспечения) выполняет начальное конфигурирование модулей функциональных, обмен информацией, контроль и диагностику программных и аппаратных средств.
Комплекс программно-аппаратных средств автоматизации контроля и управления
Патент на изобретение № 2279117
Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике. Технический результат заключается в возможности снятия ограничений по числу модулей ввода/вывода и процессорных модулей, а также в соединении каждого процессорного модуля и модуля ввода/вывода через общую шину данных с устройствами, относящимися не только к данному контроллеру. Он достигается за счет того, что комплекс программно-аппаратных средств автоматизации контроля и управления технологическими процессами включает общую шину данных и, по меньшей мере, один контроллер, содержащий модули ввода/вывода для ввода и обработки сигналов от датчиков и вывода сигналов управления исполнительными механизмами, и процессорные модули для управления модулями ввода/вывода и исполнительными механизмам посредством модулей ввода/вывода, при этом модули ввода/вывода и процессорные модули подключены к общей шине данных, совмещающей в себе функции системных шин контроллеров, полевых шин и локальной сети, с возможностью образования единой сети устройств и формирования ими запросов к любому из указанных устройств и ответов на адресованные им запросы, что реализует доступ к данным каждого из устройств как со стороны устройств, входящих в тот же контроллер, так и со стороны внешних устройств, в том числе входящих в другие контроллеры, и доступ устройств каждого контроллера к данным внешних устройств, в том числе входящих в другие контроллеры.
|
|
|
|
|
|
Введение в диссертацию
В настоящее время происходит бурное изменение характера труда производственного рабочего. Было время, когда работа велась полностью на универсальных станках (токарных, фрезерных, сверлильных и т. п.),на которых рабочий мог вытачивать или фрезеровать, или сверлить любую деталь (в пределах возможностей данного станка). Тогда все обеспечивалось искусством ручного труда рабочего. Ручным трудом человека определялись и другие виды производственных операций (литье, сварка, сборка изделий). То же самое наблюдалось и в других отраслях промышленности (текстильной, легкой, пищевой), а также в горнодобывающих отраслях и на строительных работах. Ручной труд был основным и в транспортных операциях как в масштабе страны, так и в ограниченных условиях завода или цеха.
Огромным шагом на пути технического прогресса явилась в прошлом механизация человеческого труда во всех его видах, в первую очередь на трудоемких, тяжелых, вредных работах. Благодаря развитию механики, энергетики и многочисленных их приложений многое было сделано для значительного облегчения труда человека и повышению производительности труда.
|
|
|
Успехи механизации в совокупности с автоматизацией производственных процессов на основе достижений автоматики, теории и практики автоматического регулирования, без применения которых невозможны были бы многие виды технологии, энергетики стали причиной функционирования многих машин не только во всех видах производства, но и на транспорте, и в сельском хозяйстве.
Применение вычислительной техники позволило выполнять такие работы и получать такие результаты, которые раньше были совершенно немыслимы. Особое внимание уделяется теории управления и вычислительной техники именно в автоматизации умственного труда человека в процессах управления производством, в процессах проектирования, планирования, учета и контроля, в организации работ коллективов людей, проведении прикладного научного эксперимента и т. п. Робототехнике и гибким производственным системам сейчас принадлежит ведущая роль в интенсификации экономики, повышении эффективности производства наряду с использованием передовых технологических процессов и технологического оборудования. Вместе с тем развитие робототехники и гибких производственных систем имеет и первостепенное социальное значение.
|
|
|
В последние годы происходит роботизация буквально всех сфер человеческой деятельности. Роботы начинают вытеснять человека на производстве. Полная автоматизация многочисленных процессов сводит участие людей в производстве к принятию важных решений и устранению возникающих неисправностей оборудования. Также роботы получили широкое использование при исследованиях океанских глубин и космического пространства. С помощью робототехнических систем проводятсложнейшие хирургические операции на мозге и сердце. Разработаны роботизированные протезы конечностей и некоторых внутренних органов. Военная техника становится все умней и самостоятельней – управление движением, контроль обстановки, прицеливание и поражение цели производит машина, а человеку остаются решение тактических задач и техническое обслуживание. Процесс роботизации затронул такую область как обеспечение общественной безопасности: более 20 лет в арсенале спецслужб и полицейских подразделений находятся мобильные роботы и робототехнические комплексы для проведения работ по предупреждению и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций.
Актуальность
Стремительное развитие электроники в мире является закономерным процессом, который вызван принципиально новыми требованиями рынка к показателям качества технологических машин и движущихся систем.
Интенсивное внедрение искусственных помощников в нашу повседневную жизнь требует, чтобы пользователи обладали современными знаниями в области управления роботами, что позволит быстро развивать новые, умные, безопасные и более продвинутые автоматизированные и роботизированные системы, поэтому значительно увеличился интерес к образовательной робототехнике. Поэтому для успешного развития и внедрения робототехнических комплексов в современное производство необходимо решение 2 основных задач:
1. Овладение необходимых навыков и умений для их конструирования;
2. Компетентное управление мехатронными системами.
Решение данных задач трудоемко, энергозатратно и, в первую очередь, требует подготовленных специалистов.
Термин "мехатроника" отразил единство электроники и механики, что явилось основой для изобретения и разработки новых современных машин - мехатронных объектов, позволяющих автоматизировать различные технологические процессы. Одновременно с этим мехатроника не являет собой простое объединение двух наук, а её необходимо рассматривать как новейшую технологию, при которой в машину с механическими исполнительными механизмами включают программное обеспечение (ПО).
Мехатронные устройства - это группа машин, базирующихся на исполнении в них достижений точной механики, современного электропривода, электроники и компьютерного управления.
В состав мехатронной системы входят 4 основные части:
1. Механическое устройство (рабочий орган);
2. Блок приводов (исполнительные двигатели);
3. Устройство компьютерного управления, на вход которого поступают команды человека – оператора либо ЭВМ верхнего уровня управления;
4. Информационное устройство, предназначенное для получения и передачи в устройство компьютерного управления данных о реальном движении машины.
Второй задачей, но не по степени сложности, является управление мехатронными системами, которая включает в себя следующие разделы:
1. Сбор информации о состоянии системы;
2. Этап программной обработки информации
3. Принятие решений и выработка управляющих решений в соответствии с алгоритмом.
Для эффективного решения данной проблемы необходимы квалифицированные кадры. Соответственно, для подготовки последних требуется комплексное учебно – методическое обеспечение, которое позволит приобрести студентам теоретические знания и практические навыки управления мехатронными системами. Не менее важным элементом в обучении молодых специалистов является наличие современного технического обеспечения, а именно, учебных стендов и комплексов.
Использование технологических достижений дает возможность студентам и учащимся на практике проверить и закрепить полученные знания. Поэтому сегодня, говоря об образовании, следует иметь в виду не только непосредственно сам процесс обучения, то есть взаимодействия преподавателей и учащихся, но и различные технические средства обучения.
При обеспечении учебных заведений техническим оборудованием возникают проблемы с предоставлением студентам комплекса лабораторных работ, т.к. не каждый производитель учебных стендов предоставляют их покупателям в распоряжение. Наиболее часто распространена практика приобретения УМК по отдельной плате.
В связи с этим актуальной задачей является разработка комплексов лабораторных работ, позволяющих проводить обучение и развивать у студентов компетенции в области разработки аппаратно – программных средств систем управления мехатронными и робототехническими комплексами.
Цели работы
Целями работы являются:
1. Сбор и анализ информация о существующих лабораторных и промышленных учебных системах разработки программного обеспечения мехатронных комплексов;
2. На основе анализа процесса роботизированной контактной точечной сварки сформулировать основные задачи, из решения которых складывается разработка программного обеспечения мехатронных систем точечной сварки: программная инициализация аппаратной части системы, организация ввода-вывода информационных и управляющих сигналов с контроллера, управление приводами и исполнительными механизмами, организация циклической работы системы;
3. Применительно к учебному мехатронному стенду разработать алгоритмы управления исполнительными механизмами стенда, реализующими задачи разработки программного обеспечения;
4. Для решения задачи организации циклической работы разработать и аппаратно внедрить в состав стенда модуль имитации точечной сварки, позволяющий разрабатывать на данном стенде управляющие программы для прохождения роботом контрольных точек, имитирующих точки сварки;
5. Разработать управляющие программы для контроллера ArduinoMega 2560, представляющего верхний уровень управления, реализующие разработанные алгоритмы;
6. Провести анализ вредных и опасных факторов, возникающих при работе с результатами проекта, разработать рекомендации по защите от данных факторов;
7. Провести организационно-экономическое обоснование разработок, рассчитать и проанализированы показатели эффективности проекта.
Глава 1
Анализ задач управления мехатронными робототехническими комплексами
История рынка промышленной робототехники насчитывает более 50 лет. Особую популярность завоевывает решения по автоматизации производства на базе промышленных роботов, позволяющих обеспечить полный цикл обработки с высокой производительностью и точностью, избежать перерывов и производственных ошибок, свойственных человеку. При правильном применении и предварительном анализе работы системы робот способен обеспечить производство рядом преимуществ, повысить качество и эффективность рабочего процесса.
Для оценки актуальности внедрения робота в процесс обработки приведем перечень преимуществ и недостатков применения робототехники на предприятии:
1. Производительность
Как правило, робота производительность повышается при применении. Это связано с более быстрым перемещением и позиционированием в процессе обработки, также играет роль возможность автоматической работы 24 часа в сутки без перерывов и простоев.
2. Улучшение экономических показателей
Робот эффективно снижает затраты на оплату специалистов, заменяя человека. При применении робота или автоматизированной системы, в цехе необходимо лишь наличие оператора, контролирующего процесс.
3. Качество обработки
Высокая точность позиционирования промышленных роботов и повторяемость устраняют возможность брака и обеспечивают надлежащее качество изделия.
4. Безопасность
На вредном производстве применение робота достаточно эффективно, оказывающем неблагоприятное воздействие на человека, например, в литейной промышленности, при зачистке сварных швов, сварочных процессах и т.д.
5. Минимизация рабочего пространства
На базе промышленного робота правильно скомплектованная ячейка более компактна, чем рабочая зона для выполнения ручных работ.
6. Минимальное обслуживание
Например, для работы в медицинской и пищевой промышленности, при высоких и низких температурах и в агрессивных средах, специальные модели роботов изготавливаются из нержавеющей стали, это делает их менее восприимчивыми к окружающей среде и повышает износостойкость оборудования.
Одним из наиболее распространенных процессов для внедрения роботов считается сварка. Наиболее широко роботизированная сварка начала применяться в автомобилестроении, и в настоящее время практически все автомобильные производства в мире оснащены конвейерами, которые могут состоять из нескольких сотен роботизированных комплексов.
С использованием робота точечная сварка обеспечивает более высокое качество изделий по сравнению с принятым сварочным процессом ручной или полуавтоматической сварки. Периферийное оборудование предоставляет возможность обеспечить полный контроль процесса, например, реализовать функцию бесконтактного слежения за сварным швом.
Сейчас развивается активно применение роботизированной лазерной сварки, позволяющей лазеру сфокусироваться на точке с погрешностью 0,2 мм, с минимизированием теплового воздействия на изделие и высокой точностью и качеством сварки.
Помимо сварочных и вспомогательных операций роботы могут применяться в процессах обработки, выступая альтернативой обрабатывающему оборудованию.
Стремительное развитие робототехники в мире является закономерным процессом, который вызван принципиально новыми требованиями рынка к показателям качества технологических машин и движущихся систем.
Интенсивное внедрение искусственных помощников в повседневную жизнь требует, чтобы пользователи обладали современными знаниями в области управления роботами, что позволит быстро развивать новые, умные, безопасные и более продвинутые автоматизированные и роботизированные системы, поэтому значительно увеличился интерес к образовательной робототехнике. Для успешного развития и внедрения робототехнических комплексов в современное производство необходимо эффективно решать следующие задачи управления мехатронными робототехническими системами:
а) Управление разными типами приводов
б) Обработка информации с датчиков
в) Настойка аппаратной части
Для приведения в действие движущихся частей робота используют различные приводы. Приводом называют устройство, состоящее из двигателя, элементов управления двигателем и механизма передачи, соединяющего двигатель с рабочим органом. Выбор типа привода ПР определяется несколькими факторами: назначение и условия эксплуатации робота, грузоподъемность и требуемые динамические характеристики (быстродействие, точность позиционирования), вид системы управления.
При выборе типа привода рекомендуется учитывать следующие основные требования:
а) минимальные габаритные размеры;
б) выполнение требований по мощности;
в) возможность работы в автоматическом режиме управления и регулирования;
г) осуществление движений исполнительных механизмов с высокими скоростями при низкой погрешности позиционирования;
д) малую массу элементов привода при нормальном уровне конструкции;
е) обеспечение безопасности (минимизацию времени торможения, легкость отключения привода и снятия приложенного усилия, блокирование привода при сохранении положения исполнительных механизмов после команды «Стоп»);
ё) возможность встраивания систем охлаждения и терморегулирования для обеспечения приемлемых тепловых режимов работы привода и стабильности его характеристик;
ж) надежность элементов конструкции;
з) удобство монтажа, обслуживания и ремонта;
и) низкую шумность.
В конструкциях промышленных роботов используют пневматические, гидравлические, электрические и комбинированные приводы. Особенно высокие требования по надежности предъявляются к конструкции привода роботов, предназначенных для функционирования в экстремальных условиях.
Пневматический привод получил широкое распространение в конструкциях и промышленных роботов грузоподъемностью до 20 кг. Это обусловлено следующими факторами: высокой скоростью срабатывания пневматических исполнительных механизмов; относительной простотой конструкции линейных пневмоцилиндров, не требующих использования сложных механических передач; надежностью работы в широком диапазоне температур. Преимуществом пневмоприводов является также простота в эксплуатации, пожаро- и взрывобезопасность, простота защиты от перегрузок, виброустойчивость, меньшая стоимость по сравнению с другими видами приводов. К недостаткам пневмопривода следует отнести низкую удельную мощность, что обусловлено малым рабочим давлением (не более 0,6 МПа), невысокий КПД (0,15 … 0,2), а также малую жесткость, обусловленную сжимаемостью воздуха.
Гидравлические приводы используются в ПР большой грузоподъемности (до 100 кг и более). Гидропривод обладает высокой энергоемкостью, быстродействием, малой инерционностью, необходимой жесткостью статической нагрузочной характеристики (благодаря несжимаемости рабочей жидкости). Коэффициент полезного действия (КПД) гидропривода достигает 0,3, что на 30 % выше, чем у пневмопривода. К недостаткам гидропривода обычно относят возможность утечек рабочей жидкости в местах соединений и необходимость применения устройств для ее охлаждения.[9]
В состав электропривода входят: усилители мощности, управляемые двигатели, передаточные механизмы, датчики обратной связи по скорости и по положению, сравнивающее устройство. Применение электроприводов в конструкциях промышленных роботов(ПР) обусловлено рядом их преимуществ: легкостью регулирования, бесшумностью, отсутствием трубопроводов, простотой энергоподводов, монтажом и наладкой, высоким КПД (0,5 … 0,7), широким диапазоном регулирования по скорости, возможностью работы в значительном диапазоне изменения момента нагрузки. Сдерживающим фактором являются низкие показатели удельной мощности. При установке непосредственно на исполнительных звеньях ПР электродвигатели должны иметь удельную мощность не ниже 150 Вт/кг. Этому показателю в наибольшей степени отвечают современные электродвигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов.
Автоматизация различных технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин. Для этого служат датчики - элементы систем автоматики, с помощью которых получают информацию о параметрах контролируемой системы или устройствах. Датчики способны преобразовывать контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы.
Датчик должен содержать в своей конструкции чувствительный элемент и преобразовательную часть. Главными характеристиками электронных датчиков являются чувствительность и погрешность измерения.
Различают несколько классов датчиков:
- аналоговые датчики, они генерируют на выходе аналоговый сигнал, значение уровня которого получается функцией времени, и изменение такого сигнала происходит непрерывно, сигнал принимает постоянно какое-нибудь из множества возможных значений.
- цифровые датчики, в свою очередь, генерируют на выходе сигнал, который можно записать в виде последовательности цифровых значений, как правило сигнал двоичный, то есть либо высокий уровень сигнала, либо низкий (нулевой).
При создании распределенных систем акцент делается на развитие и применение распараллеливаемых интеллектуальных методов управления, интеллектуальной обработки информации. Интеллектуальными узлами систем управления являются уже не только контроллеры и промышленные компьютеры, ими становятся также датчики и исполнительные устройства.
Действительно, сложные, функционально насыщенные системы сбора и обработки технологической информации требуют применения датчиков, способных не только на выдачу сообщений об уровне сигналов или просто о включении-выключении элементов оборудования. Совершенствование современных электронных устройств обусловлено высокими темпами развития микроэлектроники. С изменением элементной базы электронных устройств обработки сигналов первичных преобразователей связано появление нового поколения датчиков – получивших название интеллектуальных. Термин «интеллектуальные» употребляют в узком смысле по отношению к устройствам, которые за счет использования в них переработки информации приобретают новые функциональные возможности.
Наконец, наиболее важным компонентом мехатронных систем (как промышленных, так и лабораторных) является верхний уровень управления. Как правило, он представляет собой программируемый контроллер или компьютер, к которому подключены датчики и исполнительные механизмы (приводы). На основании информации, поступающей с датчиков на входы, контроллер вырабатывает управляющее воздействие на выходы в соответствии с управляющей программой.
Управляющая программа является частью программного обеспечения мехатронной системы. Задача разработки программного обеспечения многоступенчатая и обычно начинается с конфигурации аппаратной части сети контроллеров, включает установку сетевых номеров и привязкой физических входов и выходов контроллера. Для настройки нужного порта нужно выбрать соответствующее встроенное ПО из списка. Программные блоки будут использовать эти значения портов по умолчанию. Далее необходимо подсоединить приводы к соответствующим портам. Также необходимо сконфигурировать порты для подсоединения датчиков.
1.2 Существующие учебные робототехнические комплексы
В совокупности робот, обслуживаемое им технологическое оборудование и система управления с верхним уровнем представляет собой робототехнический комплекс. Существует несколько крупных производителей робототехнических комплексов. Некоторые из них рассмотрены ниже.
Робот KUKA
Высокая производительность, экономическая эффективность и качество – в металлообрабатывающей промышленности требования становятся все выше. Тяжелые цветные металлы, легкие металлы, драгоценные или специальные – без литья, сварки или резки не было бы и металлообрабатывающей промышленности.
Скорость, экстремальные температурные условия, строгие гигиенические требования и высокая конкуренция – только часть из тех многочисленных условий, которые необходимо учитывать в пищевой промышленности.
Индустрия обработки пластмасс очень широка: от производства пластика до обработки пластмассы и изготовления готовой продукции. Пластмассы используются практически во всех отраслях промышленности. Роботы KUKA подходят для производства инструментов и штампов, для работы в стерильных условиях и с трудоемкими операциями литья под давлением.
Благодаря легкому программированию и гибкости роботы KUKA могут выполнить работы быстро и с высокой точностью, неважно какая задача – шлифовка, фрезерование, сверление, распиловка или обработка.
Литьевое производство — это высокая нагрузка на людей и на оборудование. Роботы KUKA могут использоваться около, внутри или быть смонтированными на литейных машинах, например, для удаления заготовок. Роботы способны связать различные этапы производства в единый технологический процесс и производить последующую обработку, например, удаление заусенцев, шлифовку, сверление или даже контроль качества.
В линейке роботов представлены роботы разной грузоподъемности. Программные решения KUKA представлены следующими функциональными и технологическими пакетами:
ArcTech - в среде защитных газовпроизводится процесс роботизированной сварки.
С помощьюПО ConveyorTechKUKA способен работать со всеми деталями на конвейере или перемещать их с одного конвейера на другой.KUKA.
LaserTech позволяет выполнять одним роботом процессы лазерной резки и сварки, это означает максимальную гибкость и простоту.
Прикладной модуль Milling 8 kW компании KUKA предоставляет возможность пользователю использовать робот в качестве обрабатывающего центра в области фрезерования.
Система управления роботом KRC4 учитывает требования к системам автоматизации. Открытая архитектура обеспечивает непревзойденную простоту интеграции. Она поддерживает разные языки программирования и может выполнять различные задачи, использоваться с роботами любой грузоподъемности и управлять комплексными установками. Система KRC4 также понимает язык систем обработки с ЧПУ и язык систем управления ПЛК.
Робототехнический комплекс RobotinoView
Мобильная роботизированная система Robotino разработана и производится исключительно для целей профессионального и дальнейшего обучения в области автоматизации и технологии.Подвижный робототехнический комплекс Robotino (Рисунок 1.3.) оснащён всенаправленным приводом, навигационной системой и разнообразными датчиками: одометрической системой, датчиком столкновения, гироскопическими и ультразвуковыми датчиками. Конструкция робота предусматривает установку на него дополнительного оборудования – датчиков, захватных устройств, камер и прочее.
Система Robotino не просто знакомит учащихся с техникой, но привносит в изучение практическую составляющую благодаря многочисленным занимательным задачам из повседневной жизни. Благодаря модульной структуре все технические составляющие системы Robotino, например, электрические приводы, датчики и камера, не просто хорошо доступны для понимания, но также могут изучаться в системном взаимодействии.
Учащийся обобщает полученные знания и применяет соответствующие технические навыки, например, работая с электрической приводной техникой, кинематическими системами и датчиками, а также системами автоматического регулирования, обработки изображений и программирования.
Для системы Robotino существует интерактивная графическая среда программирования и обучения – RobotinoView. Она связывается с системами робота непосредственно по беспроводной сети и позволяет передавать сигналы в контроллер двигателя, просматривать значения датчиков, выполнять масштабирование и анализ, а также отображать изображение с камеры в режиме реального времени и обрабатывать его. Библиотека среды содержит множество готовых к соединению функциональных блоков.
Виртуальная среда симуляции RobotinoSIMProfessional
Robotino SIM Professional представляет собой виртуальную учебную среду для работы с Robotino (Рисунок 1.4.). В основе усвоения, анализа и понимания новых физических и технических явлений лежит выявление отличий от реального поведения. Можно создавать любые виртуальные трехмерные рабочие среды для Robotino с помощью ПО, а затем моделировать созданную программу.
Программная модель Robotino включает в себя геометрическую модель с тремя всенаправленными приводами, одной камерой, двумя цифровыми оптическими датчиками, девятью датчиками определения расстояния, двумя индуктивными аналоговыми датчиками, датчиком столкновений в защитной накладке рамы.
Программирование Robotino может осуществляться с помощью ПО RobotinoView, а также на одном из языков высокого уровня C, C++, C# или Java. Для этого требуется соответствующий интерфейс API.
Виртуальная среда программирования RobotinoSIM
Robotino SIM представляет собой ПО для трехмерного моделирования Robotino в предварительно заданной виртуальной среде для экспериментов
Программная модель Robotino включает в себя геометрическую модель с тремя всенаправленными приводными колесами, одной камерой, девятью датчиками определения расстояния и цифровым датчиком в защитной накладке рамы.
Программирование возможно с использованием ПО RobotinoView или на одним из языков высокого уровня C++, Java идр.
Благодаря модульной структуре, приспособлений для монтажа элементов и открытым программным интерфейсам Robotino является идеальной платформой для проектных работ.
Робототехническая платформа NIRoboticsStarterKit 2.0
Робототехническая платформа NIRoboticsStarterKit 2.0 с дифференциальным приводом колес, общий вид которой изображен на рисунке 1.6.
NI RoboticsStarterKit 2.0 позволяет изучать основные компоненты мобильного робота (сенсоры, двигатели, контроллеры и т.п.) и решать ряд практических задач, такие как, объезд препятствий, сканирование и картирование местности, планирование траектории движения и сопровождение движущегося объекта.
Аппаратная часть робототехнической платформы NI RoboticsStarterKit 2.0 представляет собой универсальный набор элементов для сборки мобильного робота различной степени функциональности и сложности. Она содержит легко монтируемые механические компоненты, модули управления электроприводы, различные типы датчиков (ультразвуковой датчик, энкодеры).
1 – TETRIXплатформа;
2 – ультразвуковой датчик расстояния Parallax PING)));
3 – сервопривод;
4 – плата управления на базе NI sbRIO 9632;
5– электроприводы постоянного тока;
6– оптические квадратурные энкодеры;
7 – аккумулятор;
8 – омни-колеса
Основные технические характеристики компонентов базовой комплектации представлены в Табл. 1. Имеется возможность расширения функций системы за счет дополнительных модулей сбора данных с датчиков (лидар, компас, гироскоп и т.д.), GPS - приемника и блока обработки видеоизображений с видеокамеры.
Таблица 1 Технические характеристики компонентов базовой комплектации робототехнической платформы RoboticsStarterKit 2.0
| Наименование | Технические характеристики |
| Ультразвуковой датчик расстояния Parallax PING | диапазон измерения дальности: 0,02-2 м |
| Серводвигатель Hitec HS- 485HB | напряжение питания: 4,8/6,0 В крутящий момент: 4800 / 6000 г/см обороты в минуту: 45/ 55 |
| Электроприводы постоянного тока | напряжение питания: 12 В крутящий момент: 3348 г/см обороты в минуту: 152 |
| NI sbRIO-9632 | сетевой интерфейс: Ethernet тактовая частота процессора: 400 МГц память: 256 Мб FPGA: XilinxSpartan-3 каналы цифрового ввода-вывода: 110 каналы аналогового ввода: 32 каналы аналогового вывода: 4 |
Разрабатываемый учебный стенд
Автоматизированный стенд состоит из трех основных частей: блока управления, манипулятора и пульта управления (Рисунок 1.7.).
Блок управления содержит контроллер ArduinoMega 2560, разработанный на базе микроконтроллера ATmega2560.
На плате расположено всё необходимое для удобной работы с микроконтроллером: 54 цифровых входа или выхода, 16 аналоговых входов, кварцевый резонатор на 16 МГц, разъём USB, разъём питания, разъём ICSP для внутрисхемного программирования и кнопка сброса.
Для работы с платой ArduinoMega 2560 используют интегрированную среду разработки — Arduino IDE.
Также в состав блока управления входят TroykaShield и MotorShield. TroykaShield представляет собой плату расширения, которая помогает подключать большое количество периферии вроде сенсоров через стандартные 3-проводные шлейфы. Это позволяет не прибегать к пайке сенсоров через или отдельной макетной плате. По периметру установлены тройки контактов «S-V-G», которые соединены с линиями управляющей платы следующим образом:
сигнал (S) — с соответствующим аналоговым или цифровым пином;
питание (V) — с рабочим напряжением;
земля (G) — с землёй.
Именно эти линии нужны для взаимодействия с большинством модулей.
Микроконтроллер, установленный на Arduino непосредственно не может управлять большой нагрузкой на своих цифровых выходах. 40 мА - максимально возможный выходной ток с ножки микроконтроллера. Существуют специальные устройства, чтобы иметь возможность управлять большой нагрузкой. Именно к таким устройствам и относится MotorShield.
MotorShield — это плата расширения для Arduino, предназначенная для двухканального управления скоростью и направлением вращения коллекторных двигателей постоянного тока, напряжением 5–24 В и максимальным током до 2 А на канал.
Пульт управления представлен набором кнопок, каждая из которых предназначена для переключения на работу разных модулей учебного стенда.
Действия, выполняемые кнопками:
Кн.1 – включение шагового двигателя;
Кн. 2 – включение первого сервопривода;
Кн. 3 – включение второго сервопривода;
Кн. 4 – вращение двигателя по часовой стрелке;
Кн. 5 – вращение двигателя против часовой стрелки;
Кн. 6 – запоминание.
Данный учебный стенд представлен трехосевым роботом, для которого можно разработать программное обеспечение для отработки практических навыков по управлению основных мехатронных модулей.
1.3Обоснование целесообразности создания учебных стендов
Все механизмы имеют свой срок эксплуатации, по истечению которого изделия могут потребовать непредвиденные расходы на ремонт. Робототехнические комплексы разных производителей могут потребовать вмешательства специалистов, что повлечет за собой дополнительные расходы.
Каждый автоматизированный стенд располагает определенными особенностями, но основные задачи сводятся к управлению сервоприводами и другими двигателями от управляющего контроллера.
Также в выборе того или иного вида оборудования немаловажную роль играют габариты стенда. Не каждое образовательное учреждение готово выделить целую лабораторию под один учебный комплекс. Более того, какая стоимость и сколько питания потребляет оборудование, на эти показатели обращают внимание покупатели в первую очередь.
Принимая во внимание вышеуказанные ограничения, приобретение промышленного оборудования не всегда является реальным. Целесообразно использование стендов собственной разработки, имитирующих работу реальных промышленных роботов.
Так как точечная сварка подразумевает прохождение сварных точек, то задача управления сварочным роботом сводится к фиксации в памяти робота положений точек и последовательного их прохождения. Другими словами, необходимо обеспечивать циклическое управление приводами манипулятора, чтобы осуществлять прохождение определенной траектории рабочим органом робота. Для этого требуется доработка выбранного стенда, заключающаяся в создании монтажной пластины с установленными на ней точками, имитирующими сварные точки.
Список литературы
1. В.Я. Ротач. Теория автоматического управления теплоэнергетическими процессами/ М.: Энергоатомиздат. 1985
2. Н.С. Зотов, Д.X. Имаев и др. Под ред. В.Б. Яковлева. Теория автоматического управления/ М.: Высшая школа. 2003
3. Е.П. Попов. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления/ М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. Лит. 1988
4. В.Л. Бесекерский, Е.П. Полов. Теория систем автоматического управления/ «Профессия». 2003г.
5. О.А. Геращенко, В.Г. Федоров. Тепловые и температурные измерения. Справочное руководство / «Наукова думка». 1965г.
6. В. П. Преображенский. Теплотехнические измерения и приборы/ М.: «Энергия». 1978г.
7. К.И. Хансуваров, В.Г. Цейтлин. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара/ М.: Издательство стандартов. 1990г.
8. Г.Б. Беляев. Технические средства автоматизации в теплоэнергетике/ М.: Энергоиздат. 1982г.
9. И.А. Елизаров, Ю.Ф. Мартемьянов, А.Г. Схиртладзе, С.В. Фролов. Технические средства автоматизации/ «Издательство Машиностроение-1». 2004г.
10. Г.М. Павлов, Г.В. Меркурьев. Автоматика энергосистем/ НОУ "Центр подготовки кадров энергетики " Санкт-Петербург. 2004г.
11. В. М. Вальнов, В. Е. Вершин. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. 1991г.
12. Д.Блум. Изучаем Arduino: инструменты и методы технологического волшебства: Пер. с англ. – СПб.: БХВ-Петербург, 2015. – 226 с.
13. А.А. Москвичев, А.Р. Кварталов, Б.В. Устинов Захватные устройства промышленных роботов и манипуляторов: учебное пособие / НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Нижний Новгород, 2013. – 155с .
14. А.А. Иванов. Автоматизация технологических процессов и производств. / Учебное пособие – М. : Форум, 2011г.-219 с..
15. А.А.Иванов. Автоматизированные сборочные системы/ учебник НГТУ. Н. Новгород, 2007г-347 с.
16. И.В. Петров. Программируемые контроллера. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования/ Под ред. проф. В. П, Дьяконова. – М.: СОЛОН-Пресс, 2004. – 256с.
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 182; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!