Разработка мероприятий по наладке и эксплуатации устройства числового программного управления «Маяк-221»

Введение

Дипломный проект по теме «Разработка мероприятий по наладке и эксплуатации устройства числового программного управления «Маяк-221» «является завершающим этапом обучения по специальности «Техническое обслуживание технологического оборудования и средств робототехники в автоматизированном производстве» в учреждении образования «Минский государственный автомеханический колледж» .

Основными целями дипломного проекта являются:

— закрепление теоретических знаний и умений, полученных при изучении дисциплин;

— приобретение навыков самостоятельной работы с технической документацией;

— исследование структурных, функциональных и принципиальных схем оборудования;

— приобретение навыков диагностирования оборудования;

— приобретение навыков в разработке алгоритма поиска неисправностей;

— анализ правил и норм организации охраны труда на промышленном предприятии;

— анализ принципов организации энерго и ресурсосбережения на промышленном предприятии;

— приобретение умений расчета стоимости наладочных работ.

Поставленные цели достигаются путем изучения технических данных и функциональных возможностей, а так принципа работы оборудования, применения навыков в разработке структурных, функциональных и принципиальных схем с помощью систем автоматизированного проектирования, изучения базовых правил и норм организации охраны труда, экономии энергии и ресурсов. Для разработки мероприятий по наладке, учащемуся необходимо знать принцип работы структурных блоков устройства, методы и средства диагностирования, а так же способы устранения неисправностей. Расчет стоимости наладочных работ производится на основе использования умений и навыков, полученных в ходе изучения экономических дисциплин, а так же путем ознакомления с экономической деятельностью предприятия.

Задачей дипломного проектирования является формирование у учащегося творческого подхода к выполнению поставленных целей, что необходимо для дальнейшей подготовки к самостоятельной работе на производстве, а так же применение знаний, полученных на лекциях и при прохождении производственной практики в период обучения.

1. Характеристика исследуемого устройства

1.1 Анализ задания на проектирование При прохождении преддипломной практики на предприятии из множества устройств числового программного управления (УЧПУ), преобразователей частоты (ПЧ), программируемых логических контроллеров (ПЛК), электроприводов (ЭП) для изучения, мной было выбрано УЧПУ «Маяк-221» в целях изучения его на дипломном проекте.

Данное устройство было выпущено Ижевским научно-производственным предприятием ООО «Ижпрэст» и обеспечивает управление многокоординатными станками, установками и обрабатывающими центрами оснащенными следящими и шаговыми приводами подач. УЧПУ «Маяк-221» выполнено на основе микро-ЭВМ «Электроника 60М» и относится к классу специальных систем с программно-аппаратной организацией структуры.

Достоинствами УЧПУ «Маяк-221» являются:

— гибко конфигурируемая, программно аппаратная перестраиваемая структура;

— конструктивно встраивается в электрошкаф или пульт станка, работающего в закрытом производственном помещении.

— в пульте оператора не используется высокое напряжение, что удовлетворяет высоким требованиям по технике безопасности.

Возможности программного обеспечения:

— линейная, винтовая интерполяция по всем осям одновременно;

— круговая интерполяция в произвольной плоскости;

— программирование в абсолютной, относительной системах координат, в полярных координатах, зеркальная отработка, поворот осей, масштабирование, смещение;

— коррекции на длину инструмента, на радиус инструмента;

— арифметические и логические операции, тригонометрические функции;

— компенсация дрейфа приводов, люфтов, погрешностей ходового винта;

— мониторинг рабочего времени, журнал действий оператора;

— ведение журнала работы с сохранением времени появления сообщений и ошибок;

— синтаксический и графический контроль программы;

— справочная система по параметрам, циклам, ошибкам и сообщениям, входным и выходным сигналам;

— подготовка управляющих программ одновременно с отработкой;

— диалоговый режим ввода и редактирования программ, циклов.

Благодаря этим возможностям УЧПУ «Маяк-221» актуально на сегодняшний день и активно эксплуатируется на предприятиях.

1.2 Функции устройства Устройство числового программного управления (УЧПУ) — устройство выдающее управляющее воздействие на исполнительные органы объекта управления в соответствии с управляющей программой, алгоритмами ее обработки и информации о состоянии объекта.

Cистема числового программного управления — совокупность функционально-взаимосвязанных и взаимодействующих технических и программных средств, обеспечивающих выдачу управляющих воздействий исполнительным органам станка в соответствии с управляющей программой.

Система УЧПУ поддерживает работу в режимах: автоматический, предустановка (MDI), наладка, выход в нулевую точку. Настройки УЧПУ позволяют обеспечить: возможность программной компенсации систематической погрешности по осям, учет радиуса, компенсацию износа инструмента, а также обеспечивает выполнение других базовых функций.

В соответствии с международной классификацией системы ЧПУ делятся на следующие классы:

NC — системы с покадровым чтением перфоленты на протяжении цикла обработки каждой заготовки;

SNC — системы с однократным чтением всей перфоленты перед обработкой партии одинаковых заготовок;

CNC — системы со встроенной малой ЭВМ (компьютером, микрокомпьютером);

DNC — системы прямого числового управления группами станков от одной ЭВМ;

HNC — оперативные системы с ручным набором программ на пульте управления;

VNC — система, в которой для программирования используют голос оператора с определённым и ограниченным запасом слов.

Микро-ЭВМ с введённым в неё программным обеспечением выполняет в устройстве следующие функции:

— ввод программы управления станком в ОЗУ ЭВМ;

— редактирование программы управления;

— вывод отредактированной программы управления;

— наладочные перемещения и выход в исходное состояние;

— контурное управление;

— расчет коррекции положения инструмента;

— резьбонарезание или расчет скорости в мм/оборот при работе с датчиком шпинделя;

— стандартные циклы обработки детали;

— выдача на станок технологических команд и прием команд со станка;

— контроль функционирования отдельных частей устройства.

1.3 Конструктивное исполнение устройства Конструктивно устройство выполнено в виде шкафа с передней и задней дверями. В шкафу устанавливается каркас для установки блоков и плат.

В нижней части каркаса расположены блоки усилителей мощности, блок питания датчика, сетевой фильтр. В средней части расположены ЭВМ «Электроника-60М», блок логический, фотосчитыватель. В верхней части расположен пульт оператора с блоком индикации и пульт контроля.

Для охлаждения используются вентиляторы. Воздух забирается через воздушный фильтр в дне шкафа, прогоняется снизу вверх через блоки устройства и выводится наверх под крышкой шкафа.

Электрический шкаф УЧПУ «Маяк-221» представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 — Электрический шкаф УЧПУ «Маяк-221»

Разъёмы для внешних соединений расположены в нижней части правой боковой стенки, если смотреть на шкаф спереди. Вспомогательные разъемы для подключения пишущей машинки расположены внутри шкафа. Они доступны при открытой задней двери шкафа. Рядом с внешними разъёмами располагается болт заземления. Двери шкафа закрываются замками.

1.4 Технические данные и характеристики устройства Устройство предназначено для работы в закрытом цеховом помещении при отсутствии агрессивной среды. По устойчивости к климатическим воздействиям окружающей среды устройство относится ко второй группе по ГОСТ 21 552–76. Температура от +5 до +40?С и относительная влажность до 95%.

Технические данные устройства приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Технические данные

2. Исследование схемотехники устройства

2.1 Разработка структурной схемы устройства Структурная схема разрабатывается на начальных стадиях проектирования и предшествует разработке схем других типов. Структурная схема определяет основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи и служит для общего ознакомления с изделием. На структурной схеме раскрывается не принцип работы отдельных функциональных частей изделия, а только взаимодействие между ними. Поэтому составные части изделия изображают упрощенно в виде прямоугольников произвольной формы.

Графическое построение схемы должно давать наиболее наглядное представление о последовательности взаимодействия функциональных частей в изделии. На линиях взаимодействия рекомендуется стрелками обозначать направления хода процессов, происходящих в изделии.

Микро-ЭВМ выполняет основные вычислительные процессы. Она состоит из следующих элементов:

М2 — Процессор;

ОЗУ 4К — Оперативное запоминающее устройство емкостью 4096 16-ти разрядных слов;

B1 — Плата, осуществляющая связь с фотосчитывающим устройством;

B21 — Плата для связи с перфоратором;

ППЗУ 8К, ППЗУ 3К — Перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства суммарной ёмкостью 11К 16-ти разрядных слов. Предназначены для хранения программного обеспечения;

БПС6−1 — Блок питания.

АД — Адаптер. Предназначен для преобразования шины канала микро-ЭВМ в шину внутриблочного канала, к которой подключены блоки, осуществляющие связь со станком и органами управления устройством.

Блоки осуществляющие управление приводами подач:

МИ — Микроинтерполятор. Осуществляет преобразование параллельного кода приращения по координате в унитарный код — микроинтерполяция;

КМ2 — Шаговый коммутатор. Осуществляет управление шаговым приводом, преобразование унитарного кода в код управления фазовыми обмотками ШД.

БУМ — Блок усилителя мощности.

БВВ — Блок ввода-вывода технологических команд. Осуществляет управление электроавтоматикой станка.

БР — Блок резьбы. Осуществляет сопряжение с датчиком углового положения шпинделя ДУП-1000М. Кроме этого осуществляет преобразование унитарного кода датчика шпинделя в параллельный код, формирование функции линейного разгона при резьбонарезании.

ДУП — Датчик углового перемещения. Используется при резьбонарезании.

Пульт оператора (ПО) включает в себя следующие блоки:

БФК — Блок формирования кодов. Осуществляет подключение органов управления устройством к шине внутриблочного канала;

ИПО — Интерфейс пульта оператора. Является согласующим блоком;

БИ — Блок индикации.

ФСУ — Фотосчитывающее устройство. Подключается к плате B1 через плату согласования ПС ФСУ.

ПК — Пульт контроля. Он предназначен для индикации состояния фаз ШД, включения сетевого питания устройства и контроля питающих напряжений.

БПД — Блок питания датчика. Осуществляет выдачу управляющих напряжений для датчика углового положения шпинделя.

2.2 Разработка функциональной схемы устройства Функциональная схема автоматизации является основным техническим документом, определяющим функционально-блочную структуру отдельных узлов автоматического контроля, управления и регулирования технологического процесса и оснащение объекта управления приборами и средствами автоматизации.

Функциональные схемы разъясняют определенные процессы, протекающие в отдельных функциональных цепях изделия или в изделии в целом. Этими схемами пользуются для изучения принципов работы изделия, а также при их наладке, контроле, ремонте. По сравнению со структурной, функциональная схема более подробно раскрывает функции отдельных элементов и устройств.

Адаптер производит связь микро-ЭВМ с блоками устройства. Канал микро-ЭВМ состоит из тридцати восьми шин, в том числе тридцать одна шина двунаправленная. Канал микро-ЭВМ требует подключения передатчиков с повышенной нагрузочной способностью 50 мА. Адреса и данные поступают по одним и тем же шинам. Это требует установку селектора адреса (СА) в каждом блоке, что приводит к усложнению аппаратуры.

Преобразование канала заключается в преобразовании двунаправленных шин данных и адреса КДА00-КДА15 с повышенной нагрузочной способностью в двунаправленные шины данных Д00-Д15 с нагрузочной способностью 16 мА и в дешифрации адресов.

Преобразование канала КДА00-КДА15 в канал Д00-Д15 осуществляется двумя группами шинных формирователей BD1, BD2, включенных встречно. К шинам данных подключен регистр адреса RGA. Запись в него производится сигналами триггера DD8.1, сформированными от канала ЭВМ к СИА. В регистр заносятся младшие разряды Д01 — Д04 и старшие разряды Д06 — Д12. Выходы младших разрядов регистра выдаются на блоки устройства без дешифрации как адреса 002, 004, 010, 020 с наименованием ПА1-ПА4 (подадреса). К выходам старших разрядов RGA подключён дешифратор адресов DC, действующий при наличии сигнала синхронизация внешнего устройства ВУ от микро-ЭВМ. Сигнал ВУ означает наличие адреса 160 000. Дешифрированные адреса, суммированные с адресом 160 000, поступают на блоки устройства. Каждому блоку соответствует свой адрес. Управляющие сигналы, команды, режимы внутри блоков различаются подадресами. Блоки, на которые от ЭВМ поступают управляющие сигналы в количестве от четырех и менее, используют подадреса без дешифрации. При количестве сигналов более четырех в блоках имеется внутренний дешифратор подадресов.

Адреса и данные от микро-ЭВМ поступают поочерёдно по одним и тем же шинам КДА:

Сначала адреса поступают одновременно с сигналом К-СИА, затем данные поступают одновременно с сигналом ВЫВОД.

Адреса, записанные в регистр RGA, выдаются через дешифратор адресов (DC) по сигналу ВЫВОД, выдаваемым из микро-ЭВМ для стробирования данных. Таким образом, на блоки устройства адреса и данные выдаются из адаптера одновременно.

В состав адаптера входит логика прерывания. С микроинтерполятора (МИ) поступает сигнал прерывания (ПР), который обозначает конец отработки очередного шага интерполяции и запрос на расчет и прием следующего. При условии что триггер разрешения прерывания DD20.1 установлен в «0», по сигналу ПР происходит установка в «1» триггера требования прерывания DD20.2 и в процессор поступает сигнал К-ТПР. Процессор заканчивает выполнение текущей команды, после чего выдает сигнал К-ППР, по которому триггер требования прерывания DD20.2 сбрасывается в «0» и выдаётся вектор прерывания 200 на шину Д07. Разрешение прерывания производится адресом 170 702, запрещение прерывания — адресом 170 704.

На выходе адаптера используются управляющие сигналы СИП, ВВОД, ВЫВОД, ОЧ СБРОС, СБРОС, выдаваемые через согласующие микросхемы.

2.3 Разработка принципиальной схемы устройства Принципиальные схемы — используются для представления принципа работы системы. Этот тип схем является основным при разработке системы. Принципиальная схема является наиболее полной электрической схемой изделия, на которой изображают все электрические элементы и устройства, необходимые для осуществления и контроля в изделии заданных электрических процессов, все связи между ними, а также элементы подключения, которыми заканчиваются входные и выходные цепи.

Преобразование канала заключается в преобразовании двунаправленных шин данных и адреса КДА00-КДА15 с повышенной нагрузочной способностью в двунаправленные шины данных Д00-Д15 с нагрузочной способностью 16 мА и в дешифрации адресов.

Преобразование канала КДА00-КДА15 в канал Д00-Д15 осуществляется двумя группами шинных формирователей BD1 и BD2.

1. BD1 — Сформирован на микросхемах серии К589АП26 и состоит из микросхем DD4, DD5, DD6, DD7.

2. BD2 — Сформирован на микросхемах серии К589АП26 и состоит из микросхем DD8, DD9, DD10, DD11.

Шинный формирователь серии К589АП26 представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 — Шинный формирователь серии К589АП26

Шинный формирователь К589АП26 является параллельным двунаправленным формирователем сигналов для управления шинами в цифровых вычислительных устройствах, и представляет собой 4-х канальный коммутатор, имеющий в каждом канале одну шину для приема информации и одну двунаправленную шину для приема и выдачи информации.

Шинный формирователь обладает низкой нагрузочной способностью на входе — они имеют высокое входное сопротивление. Однако благодаря низкому выходному сопротивлению ему присуща сравнительно высокая нагрузочная способность по выходу.

Резисторы на входах шинных формирователей R2-R17, R18-R33 cо стороны канала микро-ЭВМ и R35-R50, R51-R66 со стороны внутриблочного канала предназначены для согласования шин каналов.

К шинам данных подключен регистр адреса RGA сформированный на двух микросхемах серии К555ТМ7 и состоящий из микросхем DD18, DD19, DD8.2. Триггер DD8.2 предназначен для запоминания сигнала ВУ. Запись в регистр адреса производится по входам «С» от триггера DD8.1 серии К155ТМ2, который устанавливается в логическую «1» по сигналу К СИА и сбрасывается в логический «0» от заднего фронта этого сигнала через формирователь, построенный на микросхемах DD3.3, С18, D1.

Регистр серии К555ТМ7 представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 — Регистр серии К555ТМ7

Регистр — устройство, предназначенное для приема, хранения и передачи информации. Регистр серии К555ТМ7 срабатывающий по уровню стробирующего сигнала, является параллельным 4-х канальным регистром, который состоит из двух 2-х разрядных регистров. Когда сигнал на стробирующем входе — единичный, регистр пропускает через себя входные информационные сигналы, а когда стробирующий сигнал равен нулю, регистр переходит в режим хранения последнего из пропущенных значений входных сигналов.

Триггер серии К155ТМ2 представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 — Триггер серии К155ТМ2

Триггер — электронное устройство, с помощью которых можно записывать, хранить и считывать двоичную информацию. Триггер имеет два устойчивых состояния единицу и ноль. Микросхема К155ТМ2 представляет собой D-триггер. Помимо общих для всех триггеров входов установки и сброса S и R, он имеет один информационный вход D (вход данных) и один тактовый вход C. Если на входе D единичный сигнал, то по фронту сигнала С прямой выход триггера устанавливается в единицу (инверсный — в нуль). Если же на входе D нулевой сигнал, то по фронту сигнала С прямой выход триггера устанавливается в нуль.

В регистр RGA заносятся младшие разряды Д01 — Д04 и старшие разряды Д06 — Д12. Выходы младших разрядов регистра выдаются на блоки устройства без дешифрации как адреса 002, 004, 010, 020 с наименованием ПА1-ПА4 (подадреса). К выходам старших разрядов RGA подключён дешифратор адресов ДША построенный на микросхеме DD23 серии К155ИД3.

Дешифратор серии К155ИД3 представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 — Дешифратор серии К155ИД3

Дешифратор — устройство, предназначенное для преобразования двоичного кода в напряжение логического уровня, появляющееся в том выходном проводе, десятичный номер которого соответствует двоичному коду.

Микросхема К155ИД3 представляет собой двоично-десятичный дешифратор на 15 выходов. Выводы 23, 22, 21 20 — информационные. Служат для получения двоичного кода с весом разрядов 1, 2, 4, 8 соответственно. При получении кода, микросхема выставляет логический «0» на соответствующем коду десятичном выходе (выводы 1−17). На всех остальных выходах в это время присутствует «1» .

Дешифратор действует при наличии сигнала синхронизация внешнего устройства ВУ по входу W от микро-ЭВМ и стробируется сигналами ВВОД или ВЫВОД по входу ВК. Сигнал ВУ означает наличие адреса 160 000. Дешифрированные адреса, суммированные с адресом 160 000, поступают на блоки устройства. Каждому блоку соответствует свой адрес. Управляющие сигналы, команды, режимы внутри блоков различаются подадресами. Блоки, на которые от ЭВМ поступают управляющие сигналы в количестве от четырех и менее, используют подадреса без дешифрации. При количестве сигналов более четырех в блоках имеется внутренний дешифратор подадресов.

Адреса и данные от микро-ЭВМ поступают поочерёдно по одним и тем же шинам КДА:

Сначала адреса поступают одновременно с сигналом К-СИА, затем данные поступают одновременно с сигналом ВЫВОД.

Адреса, записанные в регистр RGA, выдаются через дешифратор адресов (ДША) по сигналу ВЫВОД, выдаваемым из микро-ЭВМ для стробирования данных. Таким образом, на блоки устройства адреса и данные выдаются из адаптера одновременно.

На микросхемах DD1.1 — DD1.3, DD3.1 — DD3.3, DD25.1 — DD25.4, DD26.1 — DD26.4 собрана схема запуска. В процессоре ЭВМ выбран режим пуска при включении питания с выходом на ячейку 173 000, адрес которой дешифрируется на выходе 13 микросхемы DD23 и через микросхему DD24.6 формируется сигнал СИП в первом цикле. Затем элементами DD25, DD26.1, DD26.2 выделяется команда JMP (код 137) безусловного перехода на ячейку 40 000 — начального адреса программного обеспечения, который выделяется микросхемой DD26.3.

В дальнейшем СИП формируется на микросхеме DD17.2, DD24.2 и поступает на канал микро-ЭВМ через микросхемы DD22.6, DD24.4. Ко входу микросхемы DD22.6 через разъём Ш1/28 подходят сигналы СИП всех блоков устройства. На выходах блоков применяются микросхемы с открытым коллектором, нагрузкой для них является резистор R67.

В состав адаптера входит логика прерывания. С микроинтерполятора (МИ), построенного на микросхемах DD16.1, DD16.3, DD16.2, DD17.3, DD24.1 поступает сигнал прерывания (ПР), который обозначает конец отработки очередного шага интерполяции и запрос на расчет и прием следующего. При условии что триггер разрешения прерывания T построенный на микросхеме DD20.2 серии К155ТМ2 установлен в «0», по сигналу ПР происходит установка в «1» триггера требования прерывания T и в процессор поступает сигнал К-ТПР. Процессор заканчивает выполнение текущей команды, после чего выдает сигнал К-ППР, по которому триггер требования прерывания T сбрасывается в «0» и выдаётся вектор прерывания 200 на шину Д07. Разрешение прерывания производится адресом 170 702, запрещение прерывания — адресом 170 704.

На выходе адаптера используются управляющие сигналы СИП, ВВОД, ВЫВОД, ОЧ СБРОС, СБРОС, выдаваемые через согласующие микросхемы DD24.4, DD2.1, DD2.2, DD2.3, DD2.4, DD17.3.

3. Диагностирование устройства

3.1 Тестовое диагностирование Техническое диагностирование является одним из важнейших средств обеспечения и поддержания надёжности УЧПУ.

Под техническим диагностированием понимается область знаний, разрабатывающая методы и средства поиска отклонений в режимах работы УЧПУ, обнаружения и устранения дефектов в системе.

Различают функциональное и тестовое диагностирование.

Функциональное диагностирование позволяет определить техническое состояние системы или ее элементов по рабочему воздействию на неё. Рабочее воздействие контролирует исполнение системой заданных функций при заданных параметрах и выявляет причины нарушения её функционирования.

Тестовое диагностирование позволяет проверить техническое состояние системы по тестовому воздействию на неё. По тесту проверяются параметры системы и её элементов и причины их отклонения от заданных значений.

Под тестом понимается совокупность тестовых наборов на которых выполняется данная логическая функция.

Тестовый набор — это некоторая двоичная последовательность, предназначенная для контроля и диагностики дискретных устройств. Дискретное устройство выполнено в виде отдельной схемы, либо в виде совокупности этих схем.

Под тестовой последовательностью понимается совокупность всех тестов, на которых выполняется данная логическая функция.

Тестовая программа — это программа, составленная специальным образом, позволяющая с определённой вероятностью обнаружить элемент системы, в котором имеется неисправность, либо группу таких элементов.

Для контроля правильности функционирования УЧПУ Маяк-221, кроме пульта контроля и блока индикации, применяется автоматическая диагностика по тестам, входящим в программное обеспечение. Тестовым контролем охватываются блок резьбы, микроинтерполятор, микро-ЭВМ и адаптер.

Для контроля блока резьбы программно производится переключение его в режим «Контроль». Тест производит запись числа в и считывание чисел б, которые сравниваются со значениями занесенными в память микро-ЭВМ.

Для контроля микроинтерполятора в блоке интерфейса пульта оператора имеется счётчик, который производит подсчет импульсов унитарного кода по одной из осей координат, при этом координаты проверяются поочередно.

Правильное функционирование блоков резьбы и микроинтерполятора косвенно свидетельствует о том, что микро-ЭВМ и адаптер тоже функционируют нормально. Тест диагностики контролирует устройство при нажатии клавиши АВТОМАТ. При правильной отработке теста на блоке индикации горит индикатор ТЕСТ, а при неисправности индикатор ОШИБКА. При этом по коду ошибки под адресом КОД ОСТ можно определить характер неисправности.

Функциональное тестовое диагностирование применяется для проверки параметров работы, поиска неисправности и локализации ошибки в блоках ЧПУ.

Тестово-диагностический комплекс «ТДК ЧПУ» представляет собой комплекс аппаратных и программных средств на базе персонального компьютера.

Обладая всеми свойствами сервисных приборов (надежность, малые габариты, простота обслуживания) комплекс, используя возможности современного компьютера, является гибким и универсальным, что позволяет автоматизировать ремонт и наладку различных типов промышленных электронных устройств.

Тестово-диагностический комплекс «ТДК-ЧПУ» представлен на рисунке 6.

Рисунок 6 — Тестово-диагностический комплекс «ТДК-ЧПУ»

В состав комплекса «ТДК-ЧПУ» входят:

— Программируемый контроллер:

Число каналов ввода-вывода — 96, 144 и 192;

Уровни сигналов — КМОП, ТТЛ.

— Плата связи с ПЭВМ.

— Зонд логический — одноканальный логический анализатор-генератор.

— Блок питания (+5V,-5V,+12V,-12V) для диагностируемых устройств

— Универсальные и специальные адаптеры для подключения диагностируемых устройств.

— Эмулятор ППЗУ — для диагностики и наладки микропроцессорных устройств.

— Программатор микросхем.

Диагностический комплекс работает под управлением программного обеспечения, которое позволяет реализовать различные методы диагностики электронных устройств:

— Проверку в статическом режиме;

— Сигнатурный анализ;

— Логический анализ;

— Функциональное тестирование.

Тестируемая электронная плата подключается к диагностирующему комплексу с помощью адаптера подключения, который представляет собой жгут с разъёмами подключаемые к выходному разъёму комплекса, блоку питания и диагностируемой плате.

Диагностика электронных плат в статическом и псевдодинамическом режимах выполняется посредством программы «Тест контактов». Программа позволяет, установив манипулятор «mouse» на определенный контакт разъема тестируемой платы, отображаемый на экране монитора, подать на этот контакт сигналы логического «0» или «1», циклическую последовательность сигналов, считать информацию с выходных контактов платы однократно или циклически.

Используя логический ЗОНД, подачу или контроль сигналов можно осуществлять в любой точке платы.

При использовании сигнатурного анализа тестовая программа многократно прогоняется по кольцу, определяя сигнатуры на выходных разъемах устройства и сравнивая их с эталоном. Если находится несоответствие, дальнейшая локализация происходит с помощью ЗОНДА, путем снятия сигнатур с контрольных точек платы.

Программа «Диагностический тест» — наиболее мощное средство тестирования электронных устройств. Программа позволяет задавать алгоритм тестирования, что дает возможность производить ремонт практически любой цифровой или цифро-аналоговой платы. Алгоритм задается в тестовом файле, для создания которого пользователь заполняет заданный программой шаблон. Тестовый файл включает временные диаграммы сигналов управления, компактные описания многоразрядных, периодических сигналов и повторяющихся фрагментов теста, входных и выходных данных. Возможность использования в одном тестовом файле до пяти тестов, позволяет применить метод логического разделения системы, т. е. осуществить последовательные проверки логических подсистем (узлов) электронных плат.

Программа «ТЕСТ ОЗУ» — осуществляет диагностику различных типов оперативных запоминающих устройств. Модуль ОЗУ проверяется при помощи тестов шины адреса, бегущая строка, бегущая «1» и «0», бегущая диагональ. Для статических ОЗУ с подпиткой имеется возможность сохранить содержимое ОЗУ в файле, записать данные из файла в ОЗУ, проверить ОЗУ на сохранность информации.

Программа «ТЕСТ ПЗУ» — предоставляет полный набор средств для ремонта плат, содержащих микросхемы ПЗУ: сравнение данных ПЗУ с эталоном, поиск неисправной микросхемы памяти, запись содержимого микросхем ПЗУ в файл, просмотр, редактирование данных ППЗУ, формирование из общего массива данных файл для записи в микросхему ППЗУ, программирование микросхем ППЗУ.

Программатор микросхем ППЗУ (PROM и EPROM) — представляет собой адаптер с колодками для установки микросхем ППЗУ. Отличие этого программатора от других состоит в том, что пользователь по приведенной методике может без особого труда самостоятельно изготовить программатор для требуемых микросхем ППЗУ.

Ремонт микропроцессорных устройств (МПУ) является наиболее сложной задачей, которую позволяет решить использование эмулятора ПЗУ и программы «ТЕСТ МПУ». Эмулятор ППЗУ используется для задания процессору тестовой последовательности команд. Объем памяти эмулятора 16 килобайт, разрядность — 16 бит. Эмулятор соединяется с тестируемым устройством через колодки системного ПЗУ. Программа позволяет эффективно обнаруживать неисправности 8 и 16 разрядных МПУ с процессорами типов 8080, 8085, 8086, Z80, Motorola 68xx, 8048и др. Пользователь может формировать собственную диагностическую программу на языке процессора тестируемой платы или использовать стандартные тесты. Для тех процессоров, ассемблер которых не поддерживается, тесты могут создаваться в двоичном коде.

3.2 Диагностика с помощью универсальных приборов автоматизация диагностирование программный управление Мультиметр — комбинированный электроизмерительный прибор, объединяющий в себе функции амперметра, вольтметра и омметра.

По своему исполнению мультиметры бывают:

— Аналоговые (стрелочные)

— Цифровые

Аналоговые мультиметры состоят из стрелочного микроамперметра (магнитоэлектрического измерительного прибора), набора шунтов, при помощи которых определяется значение силы тока, а также набора специальных добавочных резисторов (для измерения напряжения). Для измерения сопротивления используется встроенный либо внешний источник питания (второй применяется при измерении сопротивлений более 1 МОм). Технические характеристики стрелочных мультиметров в первую очередь определяются чувствительностью микроамперметра.

Цифровой мультиметр подобен аналоговому мультиметру в том отношении, что он также является универсальным измерительным прибором, способным измерять напряжение, ток и сопротивление. Основным отличием является то, что результаты измерений выводятся на устройство десятичной цифровой индикации. В большинстве цифровых мультиметров имеется жидкокристаллический индикатор (дисплей), который похож на дисплей, используемый в цифровых электронных часах. Значение тока, напряжения или сопротивления выводится в виде десятичных цифр на семисегментные индикаторы. Индикация в более старых цифровых мультиметрах осуществляется с использованием индикаторов на светоизлучаюших диодах. В некоторых стендовых больших мультиметрах все еще используются светодиодные индикаторы.

Общий вид мультиметра представлен на рисунке 7.

Рисунок 7 — Общий вид мультиметрa

Любой мультиметр имеет два вывода, черный и красный, и от двух до четырех гнезд. Черный вывод является общим (масса). Красный называют потенциальным выводом и применяют для измерений. Гнездо для общего вывода помечается как com или просто (-) т. е. минус, а сам вывод для того, чтобы при измерении можно было зацепить его за массу электронной схемы. Красный вывод вставляется в гнездо помеченное символами сопротивления или вольты (V или +), если гнезд больше чем два, то остальные обычно предназначаются для красного вывода при измерениях тока. Помечены как A (ампер), mA (миллиампер), 10A или 20A соответственно.

Принцип работы мультиметра основан на сравнивании входного сигнала с опорным. В основе цифрового мультиметра — АЦП двойного интегрирования. Изменение предела измерений реализуется на резисторных делителях; если в мультиметре есть милливольтовое деление, возможна реализация оборудования на встроенном усилителе с возможностью изменения коэффициента усиления. Напряжение измеряется путем прямого подключения к цепи. Измерение тока основано на падении напряжения на встроенных резисторах (разный резистор для разного предела измерения). Сопротивление измеряется при подаче фиксированного тока на резистор, с которого считывается значение (включение резистора реализовано на обратной связи инвертирующего усилителя).

Осциллограф — устройство, позволяющее наблюдать и регистрировать электрические сигналы, а также измерять их параметры Осциллограф предназначен для измерения амплитуды, длительности, частоты, глубины модуляции, величины фазового сдвига. Основная его функция заключается в воспроизведении в графическом виде различных электрических колебаний (осциллограмм). Чаще всего с помощью осциллографа наблюдается зависимость напряжения от времени в декартовой системе координат. Ось Х является осью времени, а по оси Y откладывается напряжение сигнала. Благодаря широкому диапазону развёртки он позволяет так развернуть импульс, что можно контролировать даже наносекундные интервалы.

Обобщенная блок-схема осциллографа представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 — Обобщенная блок-схема осциллографа Осциллографы классифицируются на:

— Универсальные С1

— Скоростные С7 (стробоскопические)

— Запоминающие С8

— Специальные С9

Универсальные используются для исследования разнообразных электрических сигналов с длительностью от нано секунд до нескольких секунд, с амплитудой от доли милливольт до сотен вольт с диапазоном чисел 300−400 мегагерц.

Скоростные предназначены для исследования быстропротекающих процессов, они позволяют наблюдать и фотографировать сигналы.

Запоминающие имеют специальную ЭЛТ способную сохранять и воспроизводить сигналы после исчезновения его на выходе.

Специальные имеют дополнительные блоки целевого назначения, к ним относятся телевизионные и цифровые осциллографы.

Телевизионные выделяют видеосигнал заданной строки изображения.

Цифровые осциллографы передают исследуемый сигнал на компьютер для его дальнейшей обработки.

По способу обработки входного сигнала осциллографы бывают:

— Аналоговыми

— Цифровыми Схема осциллографа состоит из 3-х каналов (Y, X и Z), калибратора и устройства отображения информации — ЭЛТ.

Канал вертикального отклонения (Y) формирует вертикально отклоняющее напряжение и в основном выполняет функции усиления колебаний на входе Y. Канал состоит из аттенюатора, предварительного усилителя, линии задержки и конечного усилителя. Линия задержки позволяет запускать генератор развертки фронтом исследуемого импульса до того, как начнется отклонение луча по вертикали под действием этого импульса, что позволяет в режиме внутренней синхронизации наблюдать фронт импульса.

В канале горизонтального отклонения (X) формируется пилообразное напряжение, вырабатываемое генератором развертки. Переключателем SA1 выбирают вид синхронизации: внешнюю и внутреннюю. Внешний синхронизирующий сигнал подводят ко входу Х осциллографа. В некоторых осциллографах на вход Х подают исследуемый сигнал, который поступает на горизонтально отклоняющие пластины осциллографа, но при этом переключателями SA2 и SA3 отклоняют генератор развертки. Иногда исследуемый сигнал подают непосредственно на пластины.

Канал управления яркостью луча (Z) служит для создания на осциллограмме яркостных меток или гашения луча на время обратного хода развертки и режима ожидания при ждущей развертке. Внешний сигнал для управления яркостью подводят ко входу Z осциллографа. Канал содержит усилитель — ограничитель и устройство управления яркостью луча.

Предварительные усилители для усиления вертикально отклоняющего напряжения выполняют по схеме балансного УПТ с повышенной устойчивостью к изменению температуры и напряжения питания. Усилители выполняют регулируемыми: плавное изменение коэффициента усиления, балансировка по постоянному напряжению. Первый каскад обычно выполняют по схеме повторителя, обеспечивающего высокое входное сопротивление.

В зависимости от требуемого времени задержки линию задержки выполняют с сосредоточенными и распределенными параметрами.

Оконечные усилители формируют два противофазных напряжения для отключения пластин ЭЛТ. Усилители нагружены емкостью до десятков пФ и для широкой полосы пропускания выбирают малые сопротивления нагрузки и мощные транзисторы.

Логический анализатор данных ЛАД-03 обладает свойствами классического анализатора и дополнительными сервисными возможностями, направленными на облегчение диагностики и ремонта микропроцессорных устройств.

Графическое представление логического анализатора данных ЛАД-03 приведено на рисунке 9.

Рисунок 9 — Логический анализатор данных ЛАД-03

Основной отличительной особенностью логического анализатора ЛАД-03 является возможность создавать эталонные файлы, содержащие алгоритм работы заведомо исправного устройства, а затем сравнивать их с файлами тестируемых устройств. Результат сравнения, представленный в виде конкретных данных, адресов, команд, свойственных исследуемому объекту, способен указать пользователю на неисправность или подсказать дальнейшее направление ее поиска. Эта возможность реализуется посредством ряда особенностей, присущих данному прибору:

Логический анализатор ЛАД-03 имеет 40 входных каналов. Вместе с тем программное обеспечение анализатора позволяет снять в одном тестовом файле до 120 временных диаграмм сигналов. Использование синхронного запуска анализатора и объекта контроля, предоставляет возможность последовательно снимать данные в одноканальном (режим «Зонд») и многоканальном режиме, а затем сводить их на одном экране, получая целостностную картину работы узла из множества отдельных диаграмм. Одноканальный, последовательный съем данных (метод pin by pin) даёт возможность тестировать электронные платы с любой плотностью монтажа и компоненты с любыми типами корпусов. Глубина тестирования не ограничена объемом памяти анализатора за счет организации многократного заполнения ОЗУ. Глубина тестирования модели ЛАД-03 может быть 65 535×256 тактов, что дает возможность протестировать процессор практически на всем адресном пространстве ПЗУ.

В синхронном режиме (режим внешней синхронизации) ЛАД-03 фиксирует в цифровой памяти логические состояния на своих входах в моменты, определяемые синхронизирующим сигналом, который может быть снят с тестируемого объекта и подан на любой из 40 входных каналов анализатора или на специальный канал внешней синхронизации, имеющий защиту от помех. Для разделения полученной информации по типам: команды, данные, адреса и т. п. используются так называемые «Слова данных», позволяющие формировать из входных каналов группы шин. Порядок расположения каналов в шине определяет для каждого такта синхронизации определённый код, являющийся в этом такте числовым значением «Слова данных». Данные размещаются в таблице согласно заданной системе счисления и сравниваются с ранее снятым эталоном, а команды могут быть дизассемблированы. Табличное представление данных позволяет быстро и точно определить такт, на котором начались сбои в работе процессора или произошел его останов.

Асинхронный режим работы или режим внутренней синхронизации дает возможность получения от объекта исследования информации с высокой степенью дискретизации и используется как правило для локализации неисправности. В асинхронном режиме работы классического анализатора невозможно увязать процесс съёма информации с внешним сигналом. Для осуществления программным обеспечением ЛАД-03 виртуальной синхронизации вывода полученной информации на экран, используются «каналы синхронизации», которые выбираются пользователем из всего массива диаграмм, задействованных в данном файле. Такой подход позволяет показывать в таблице только выборочную информацию, снятую в моменты времени, привязанные к выбранному фронту или уровню сигналов синхронизации. Таким образом, находясь в асинхронном режиме, ЛАД-03 позволяет работать со словами данных по той же методике, что изложена выше для синхронного режима. Как и в синхронном режиме будут сформированы команды, данные, адреса для сравнения их с эталоном.

Логический анализатор данных ЛАД-03 имеет два уровня запуска: запуск 1-го и 2-го порядка. Запуск 1-го порядка используется для одновременного запуска анализатора и объекта контроля. Запуск 2-го порядка используется для задания начала съема данных с определенного такта работы процессора или с момента появления на шинах процессора заданных адреса, кода данных, команды. Сигнал запуска 2 порядка может использоваться для запуска осциллографа с целью просмотра осциллограмм цифровых или аналоговых сигналов в заданный момент времени.

ЛАД-03 наряду с анализом параллельных данных реализует возможность приема и анализа последовательных данных в соответствии со стандартом интерфейса RS232. Полученная информация может быть просмотрена в виде временных диаграмм или таблицы кодов.

Логический пробник — это прибор (устройство), легко удерживаемое одной рукой и позволяющее оперативно получить информацию о состоянии какой-либо линии связи, обычно цифровой.

Логические пробники часто используются при налаживании логических блоков и поиске неисправностей в цифровых устройствах. При этом локализовать неисправность можно быстрее, если дополнительно к пробнику применить пульсатор, который обеспечивает формирование коротких и мощных импульсов, переводящих состояние контролируемой логической цепи в противоположное.

Внешний вид логического пробника представлен на рисунке 10.

Рисунок 10 — Логический пробник Конструктивно все элементы схемы размещаются на печатной плате размерами 1,5 X 10 X 80 мм. Плата вставляется в цилиндрический корпус. С одной стороны на него навинчиваются разделенные экраном две конические втулки из оргстекла разного цвета и непрозрачный наконечник с иглой, к другой стороне корпуса подводится шнур питания. Питается логический зонд от источника питания проверяемой схемы или отдельного источника. Длина зонда вместе с иглой 167 мм, диаметр корпуса 14 мм.

Основные технические характеристики:

— напряжение питания — 5±0,25 В;

— средний потребляемый ток — не более 50 мА;

— порог переключения в состояние 1 — 2,4±0,15 В;

— порог переключения в состояние 0 — 0,4±0,1 В;

— напряжение вершины положительного импульса при токе нагрузки 50 мА — не менее 2 В;

— напряжение седловины отрицательного импульса при токе нагрузки 50 мА — не более 0.8 В;

— габариты — 220×25×20 мм;

— масса — не более 75 г.

4. Разработка методики поиска неисправности элемента

4.1 Виды отказов, классификация неисправностей Под отказом понимается полная или частичная утрата работоспособности устройства.

Отказ является основным параметром теории надежности.

Надёжность — свойство того или иного объекта сохранять во времени в установленных пределах, значения всех параметров, характерных номинальной работоспособности объекта.

Сбой — это самоустраняемый отказ или однократно вызванный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора или наладчика.

Существуют следующие виды отказов:

— внезапный отказ — возникает в результате скачкообразного изменения одного или нескольких основных параметров элементов. Является результатом неисправной технологии производства или скрытых изменений параметров, накапливающихся в процессе эксплуатации при ударах;

— постепенный отказ — характеризуется постоянными плавными изменениями во времени параметров элементов, вызванных необратимыми процессами старения, износа, нарушения условий регулирования;

— частичный отказ — отказ, после возникновения которого объект может быть использован по назначению, но с меньшей эффективностью, либо когда вне допустимых пределов находятся значения не всех, а одного или нескольких выходных параметров;

— полный отказ — отказ, после которого использование объекта по назначению невозможно (для восстанавливаемого объекта — невозможно до проведения восстановления);

— независимый отказ — отказ, не обусловленный другими отказами или повреждениями объекта;

— зависимый отказ — отказ, обусловленный другими отказами или повреждениями объекта;

— явный отказ — отказ, обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования при подготовке объекта к применению или в процессе его применения по назначению;

— скрытый отказ — отказ, не обнаруживаемый визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования, но выявляемый при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностики;

— конструктивный отказ — отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленных правил и (или) норм проектирования и конструирования;

— производственный отказ — отказ, возникший по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленного процесса изготовления или ремонта, выполняемого на ремонтном предприятии;

— эксплуатационный отказ — отказ, возникший по причине, связанной с нарушением установленных правил и (или) условий эксплуатации;

— деградационный отказ — отказ, обусловленный естественным процессом старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и (или) норм проектирования, изготовления и эксплуатации.

Причины возникновения отказов могут быть связаны с нарушением в выполнении каких-либо заданных функций или с недостаточной квалификацией обслуживающего персонала, в результате которой система не выполняет заданные функции удовлетворительно. Отказы могут быть связаны с изменением параметров или характеристик системы, т. е. одна из основных функций выполняется плохо. Так же причинами отказов объектов могут быть дефекты, допущенные при конструировании, производстве и ремонте, нарушение правил и норм эксплуатации, различного рода повреждения, а также естественные процессы изнашивания и старения.

Отказы подразделяются на:

— Функциональные

— Параметрические Функциональный отказ — отказ, в результате которого устройство прекращает свое функционирование. Отказ наступает в результате разрушения устройства, что приводит к невозможности выполнения определенных функций. Большая часть таких отказов является следствием ошибок при конструировании, изготовлении или назначении условий эксплуатации технической системы. Они не связаны со временем и легко обнаруживаются.

Параметрический отказ — отказ, при котором сохраняется функционирование технологической системы, но происходит выход значения одного или нескольких параметров за пределы, установленные нормативно-технической или конструкторской документацией.

Критерием отказа является признак или совокупность признаков, нарушение работоспособного состояния объекта, установленного нормативно-технической и конструктивной документацией.

Основными качественными показателями надежности является вероятность безотказной работы, интенсивность отказов и средняя наработка до отказа.

Вероятность безотказной работы представляет собой вероятность того, что в пределах заданной наработки до отказа, отказ системы не возникнет.

Средняя наработка до отказа представляет собой математическое ожидание наработки объекта до первого отказа.

Интенсивность отказов л (t) — это условная плотность вероятности возникновения отказа объекта, восстанавливаемого устройства определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до рассматриваемого момента времени отказ не наступил.

Кривая интенсивности отказов представлена на рисунке 11.

Рисунок 11 — Кривая интенсивности отказов Из кривой зависимости отказов от времени видно, что весь период работы объекта можно условно поделить на 3 периода:

1. Начальный период работы (приработка).

2. Период нормальной эксплуатации.

3. Период износа.

Приработочные отказы являются, как правило, результатом наличия у объекта дефектов и дефектных элементов, надежность которых значительно ниже требуемого уровня. При увеличении числа элементов в изделии даже при самом строгом контроле не удается полностью исключить возможность попадания в сборку элементов, имеющих те или иные скрытые дефекты. Кроме того, к отказам в этот период могут приводить и ошибки при сборке и монтаже, а также недостаточная освоенность объекта обслуживающим персоналом.

Физическая природа таких отказов носит случайный характер и отличается от внезапных отказов нормального периода эксплуатации тем, что здесь отказы могут иметь место не при повышенных, а и при незначительных нагрузках.

Среднее время приработки определяют при испытаниях. Для особо важных случаев необходимо увеличить срок приработки в несколько раз по сравнению со средним.

Период нормальной эксплуатации характеризуется тем, что приработочные отказы уже закончились, а отказы, связанные с износом, еще не наступили. Этот период характеризуется исключительно внезапными отказами нормальных элементов, наработка на отказ которых очень велика.

Сохранение уровня интенсивности отказов на этом этапе характеризуется тем, что отказавший элемент заменяется таким же, с той же вероятностью отказа, а не лучшим, как это происходило на этапе приработки.

В период износа начинают возникать износовые отказы. Происходит процесс старения элементов и количество отказов быстро увеличивается со временем.

В таблице 2 приведены наиболее встречающиеся на практике неисправности УЧПУ Маяк-221, их возможные причины и методы устранения.

Таблица 2 — Список наиболее встречающихся неисправностей

4.2 Разработка блок-схемы алгоритма диагностирования Алгоритм — последовательность действий при решении задачи, записанные по определённым правилам.

Любая команда алгоритма записывается в блок-схеме в виде графического элемента — блока, и дополняется словесным описанием. Блоки в блок-схемах соединяются линиями потока информации. Направление потока информации указывается стрелкой. В случае потока информации сверху вниз и слева направо стрелку ставить не обязательно. Блоки в блок-схеме имеют только один вход и один выход (за исключением логического блока).

Блок-схема алгоритма — графическое изображение алгоритма в виде связанных между собой с помощью стрелок (линий перехода) и блоков — графических символов, каждый из которых соответствует одному шагу алгоритма.

Перечень основных элементов схемы алгоритма представлен в таблице 3.

Таблица 3 — Перечень основных элементов схемы алгоритма При всем многообразии алгоритмов решения задач в них можно выделить три основных вида вычислительных процессов:

— Линейный

— Ветвящийся

— Циклический Линейным называется такой вычислительный процесс, при котором все этапы решения задачи выполняются в естественном порядке следования записи этих этапов.

Ветвящимся называется такой вычислительный процесс, в котором выбор направления обработки информации зависит от исходных или промежуточных данных (от результатов проверки выполнения какого-либо логического условия).