Выбор аппаратных и программных средств управления мехатронных систем координатного позицирования по критериям их соответствия параметрам основных подсистем

Основой поступательного развития общества является научно-технический прогресс. Автоматизация технологических процессов была и остается областью, которая во многом определяет это движение. Современное машиностроение отмечено появлением мехатронных систем (МС) автоматизации, что связано с эволюцией механизмов и машин во времени. Для этого потребовались немалые усилия со стороны ведущих отечественных и зарубежных ученых, особенно в течение двух последних десятилетий. МС — сложная система, в которой в равной степени используются механические и микроэлектронные устройства.

В настоящее время, несмотря на всестороннюю изученность проблемы создания и применения таких систем, проблема эффективности автоматизированных систем координатного позиционирования (МСКП) решена не полностью. В области существующих автоматизированных систем координатного позиционирования и контроля можно отметить сложность и громоздкость конструкций механических подсистем, необходимость рационального выбора конфигурации аппаратных и программных средств микропроцессорных подсистем управления (МППСУ) и в связи с этим, необходимость в определении соотношения основных подсистем МСКП для повышения эффективности системы в целом. Эффективность МСКП — это ее производительность, точность, надежность, экономичность и заключается в установлении точного соответствия между подсистемами, по принципу необходимости и достаточности. Поэтому проблема исследования соотношения между основными подсистемами МСКП (управляющей и механической) — для установления их соответствия, является актуальной.

Целью работы является повышение эффективности мехатронных систем координатного позиционирования на основе рационального построения аппаратных и программных средств микропроцессорных подсистем управления путем выявления соотношения и обеспечения соответствия структур основных подсистем.

Указанная проблема предполагает структурный анализ подсистем МСКП, определение соотношения подсистем по главным признакам, определение критериев соответствия, а также анализ элементной базы подсистем. В ЯГТУ, в течение двух десятилетий, под руководством д.т.н., проф. Мясникова В. К. [57,58,59], проводились регулярные исследования в этом направлении. В частности установлено, что МС состоят из несколышх основных подсистем: механической, информационной, управляющей, вычислительной и диагностической.

МСКП сохраняют общую структуру, присущую МС вообще, они состоят из выше перечисленных подсистем. Их характерной особенностью является то, что в технологических процессах они выполняют операции координатного позиционирования. Позиционирование — операция точного перемещения и выполняется по одной, двум или нескольким координатам (на плоскости, в пространстве) и зависит, в каждом конкретном случае, от стоящих перед МСКП функ циональных задач. Такая особенность МСКП — позиционирование по нескольким координатам, необходима для осуществления различных этапов технологического процесса, например, сборки, монтажа, складирования, операций пал-летирования, смены измерительного устройства, последующего контроля и т. д. Число управляемых координат определяется, при этом, числом силовых элементов МСКП (исполнительных двигателей).

Наиболее точное соответствие параметров основных подсистем, при построении МСКП, обеспечивается на ранних стадиях проектирования. Сначала, в соответствии с двигательными функциями МСКП, определяют конфигурацию механической подсистемы, затем производят выбор конфигурации аппаратных и программных средств МППСУ, её предварительную структуру, (с распределенными или сосредоточенными параметрами), а принципом управления может быть комплексный или автономный режим работы, с управлением от центральной микроЭВМ, микроконтроллера, или с управлением на базе параллельно работающих микроЭВМ, объединенных при помощи средств интерфейса.

Для установления соотношения основных подсистем МСКП необходимо построение их математических моделей. Методом сравнения математических моделей основных подсистем по входным — выходным параметрам, определяется соотношение подсистем, устанавливается закономерность во взаимосвязи между ними. В результате анализа структур основных подсистем МСКП и установления связей и отношений между элементами подсистем, строится структурная схема МППСУ, с учетом критериев соответствия МППСУ объекту автоматизации и процессу координатного позиционирования. Затем выполняется построение конструктивных модулей (КМ) механической подсистемы и принципиальных схем МППСУ.

Аналитическое выражение для математического графа МППСУ включает в себя главные признаки подсистем, по которым можно определить условия взаимосвязи, соотношение подсистем и коэффициент соответствия подсистем.

Исследованию МС посвящены работы многих отечественных ученых: Ар-шанского М.М. 5], Воробьева Е. Щ47], Зориктуева В. Ц. 81], Кравченко Н. Ф. 84], Кулешова В. С. 26], Макарова И. М. 41], Охоцимского Д. Е. 75], Старостина А. К. 83], Чинаева П. И. 83], и др., а также ученых ряда зарубежных стран.

С учетом вышесказанного, были определены следующие научные задачи: анализ соотношения структур основных подсистем МСКП, обоснование метода выбора рациональной конфигурации аппаратных и программных средств МППСУ по критериям соответствия, разработка аппаратных и программных средств МППСУ, составление методики испытаний МППСУ.

Решение основной задачи диссертационной работы базируется на применении методов системного анализа, теории автоматического управления, дискретной математики (теория графов, алгебра логики), вычислительной техники и теории механизмов и машин.

В результате теоретических и экспериментальных исследований, путем анализа структуры МСКП на основе представляющих ее подсистем, была предложена структурная схема МППСУ. Путем анализа соотношения основных подсистем МСКП установлена закономерность во взаимосвязи механической и подсистемы управления МСКП. В диссертационной работе дано обоснование выбора конфигурации аппаратных и программных средств МППСУ МСКП по критериям соответствия. Приведены примеры перспективных конструкций КМ для МСКП, разработаны аппаратные и программные средства МППСУ. Составлена методика испытаний для исследования эффективности МППСУ МСКП. Новизна подтверждена полученными авторскими свидетельствами на изобретения.

В результате проведенных исследований разработаны:

— математическая модель МППСУ на основе анализа соотношения основных подсистем МСКП и процесса координатного позиционирования,.

— конфигурация аппаратных и программных средств МППСУ МСКП, на базе центральной управляющей микроЭВМ в следующих вариантах: (микроконтроллер), отдельный конструктив (стандартный и нестандартный вариант оборудования) и в виде параллельно действующих локальных микроЭВМ,.

— конструкции новых автоматических средств в МСКП (захватывающее устройство, устройство для контроля отклонений диаметра отверстия и устройство для программного управления),.

— методика экспериментальных исследований МППСУ МСКП.

Достоверность и обоснованность результатов исследований подтверждается результатами опытно-промышленных испытаний МППСУ в различных вариантах конфигураций аппаратных и программных средств: первая основана на использовании серийной вычислительной техники, вторая — на базе специализированных под рассматриваемую задачу аппаратных средств, использование которых позволит расширить функциональные возможности МППСУ, повысив тем самым ее эффективность.

Материалы диссертации прошли апробацию в 6 докладах на Всесоюзной, Международной и Межвузовских региональных научно-технических конференциях.

Различные аспекты диссертационной работы обсуждались на заседаниях кафедры «Технология машиностроения» ЯГТУ.

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе: авторские свидетельства на изобретения — 3, тезисы докладов — 6, статья — 1.

Основное содержание диссертационной работы изложено на 1во страницах машинописного текста. Состоит из оглавления, введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа содержит 32 рисунка, 7 таблиц и ВО страниц приложений.

Список литературы

включает 121 наименование работ отечественных и зарубежных авторов.

Работе предшествует литературный обзор основных сведений из теории анализа и синтеза автоматизированных средств координатных перемещений.

Работа выполнена в Ярославском государственном техническом университете.