Разработка микропроцессорной системы управления роботизированным технологическим комплексом

ВВЕДЕНИЕ

Большинство основных производственные процессов (циклов) в современном машиностроительном производстве основаны на технологии, использующей робототехнические комплексы (РТК) в сочетании с автоматическими линиями, автоматизированными складами и системами управления на базе ЭВМ и микропроцессоров. Одним из широко распространенных классов, таких процессов является технологические процессы, которые состоят из операций выполняемых одновременно над группой объектов, при этом все технологические операции в группе выполняются последовательно. Примерами подобных технологических процессов могут служить процессы, имеющие место в сборочных производствах автотракторной техники и в приборостроении.

Эти процессы обладают следующими особенностями:

Процессы можно охарактеризовать как переключательные или дискретные. Характерной чертой дискретных процессов является то, что они полностью детерминированы, т. е. задана (описана) в явном виде логика их функционирования, следовательно, задана и логика управления, определяющая оптимальную стратегию переключения исполнительных механизмов технологического объекта.

Технологические операции, из которых состоят эти процессы представляют собой, как правило, тоже дискретные процессы, но гораздо более простые и меньшей размерности, и могут быть в иерархической подчиненности с операциями старшего уровня,

Технологические операции начинаются одновременно, после чего они выполняются независимо друг от друга и момент их завершения заранее не известен, Синхронизацию технологических операций (их запуск и ожидание самой длительной) может осуществлять специальная операция называемая, транспортной, назначение которой одновременная передача объектов сборки с одной позиции на другую.

В различных процессах технологические операции выполняются агрегатными головками, промышленными роботами, специальными станками и другими технологическими средствами, а транспортная операция осуществляется линейными или поворотными транспортными системами дискретного или непрерывно-дискретного действия.

Системы управления технологическим оборудованием, выполняющим эти технологические процессы, как правило, являются системами управления нижнего уровня АСУТП участков и цехов, и реализуют алгоритмы логического управления (АЛУ).

АЛУ, в соответствии с перечисленными выше особенностями технологических процессов характеризуются иерархией, параллелизмом, асинхронностью и цикличностью.

ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ СТАНКА В данной курсовой работе рассматривается РТК на базе токарного станка модели 16Б16Ф3 и вертикально-фрезерного станка мод. 6Р13ФЗ.

Станок 16Б16Ф3

Станок предназначен для многоинструментальной токарной обработки тел вращения с канавками, фасками и криволинейными образующими. Он может быть использован и для нарезания в автоматическом цикле цилиндрических и конических резьб, а также архимедовых спиралей. Спроектирован на базе универсального токарно-винторезного станка мод. 16Б16П с учетом стыковки его с системой ЧПУ. Класс точности станка — П. Предназначен как для центровых, так и для патронных работ в мелкосерийном и серийном производстве. Основные узлы станка конструктивно несколько изменены по сравнению с базовой моделью.

Техническая характеристика станка

Компоновка, основные узлы и движения в станке Станина коробчатой формы с поперечными П-образными ребрами устанавливается на пустотелой тумбе. По двум закаленным направляющим станины перемещается суппорт, а две другие направляющие служат для перемещения задней бабки. Привод главного движения состоит из двухскоростного асинхронного электродвигателя А02−52−8/4 и автоматической коробки скоростей АКС209−6,3 Привод обеспечивает с учетом перебора, смонтированного в шпиндельной бабке, 17 ступеней различных частот вращения шпинделя. Автоматическое переключение частот вращения шпинделя возможно в двух диапазонах, определяемых включением шпинделя напрямую или через перебор.

Привод продольной подачи включает электрогидравлический двигатель, беззазорную цилиндрическую передачу и шариковую передачу винт-гайка. Привод поперечной передачи аналогичен приводу продольной подачи. Вместо цилиндрической передачи используется червячная пара.

Четырехпозиционный резцедержатель смонтирован на поперечной ползушке, в передней ее части. В автоматическом цикле работы станка он управляется от программы и обеспечивает последовательный выход каждого из четырех инструментов в исходное рабочее положение. Поворот и зажим резцедержателя осуществляются гидроцилиндром, прикрепленным к поперечной ползушке. Инструменты устанавливаются в инструментальные блоки, у которых базовая установочная поверхность выполнена в виде цилиндрической прямозубой шестерни. Такая конструкция позволяет устанавливать резцы для наружной обработки и расточные в одинаковые резцовые блоки.

Конструкция станка позволяет производить обработку наружных и внутренних поверхностей вращения деталей при их установке как в центрах, так и в патроне. Технологические возможности станка 16Б16Ф3 при центровой и патронной обработке практически равноценны. Использование для силового резания только четырех инструментов, устанавливаемых в передний резцедержатель, несколько ограничивает технологические возможности станка. Станок оснащен устройством ЧПУ типа ЭМ-907; информация кодируется кодом ИСО-7бит на восьмидорожечной перфоленте.

Как и у других станков с ЧПУ, сконструированных на базе универсальных станков с ручным управлением, здесь затруднены отвод и удаление стружки из зоны резания.

Станок 6Р13ФЗ Станок 6Р13ФЗ предназначен для обработки плоских и пространственных деталей сложного профиля (штампов, пресс-форм, кулачков и т. д.) из стали, чугуна, цветных металлов, легких и твердых сплавов в условиях единичного и мелкосерийного производства торцовыми фрезами диаметром до 125 .мм и концевыми фрезами диаметром до 90 мм, а также сверлами, зенкерами и развертками, установленными в револьверной головке. Класс точности станка Н.

Техническая характеристика станка.

Размер рабочей поверхности стола (длина X ширина) 1600×400 км; число инструментов в револьверной головке 5; число частот вращения шпинделя 18; пределы частот вращения шпинделя 40—2000 об/мин; число подач — бесступенчатое регулирование; пределы рабочих подач по осям координат Xj У 8—1200 мм/мин, по оси Z' 8—800 мм/мин; скорость быстрого перемещения по осям координат X', Y', Z' 4000 мм/мин; габаритные размеры станка 2575×2180×2480 мм.

Устройство ЧПУ—контурное типа Н331 или Н331М. Обработка сложных поверхностей осуществляется сочетанием движений по двум или трем координатам как одновременно, так и последовательно. Устройство выполнено по агрегатному принципу. Программа задается на восьмидорожковой перфоленте. Дискретность отсчета по осям координат X', Y', Z' равна 0,01 мм, интерполяция — линейно-круговая. Имеется 18 групп коррекции на длину и диаметр вдоль оси координат. По программе осуществляется автоматическая смена инструмента, выбор частоты вращения каждого шпинделя, зажим консоли и т. д.

Основные узлы и движения в станке.

Основными узлами станка мод. 6Р13ФЗ являются: основание 7, станина 2, консоль 3, стол 5 с салазками 4 и шпиндельная головка со шпинделем 6.

Станина имеет жесткую конструкцию с мощным основанием, трапецеидальным сечением станины по высоте и большим числом ребер и стенок. Шпиндели, получающие вращательное движение, установлены в пятипозиционной револьверной головке. Один из шпинделей усилен для выполнения более тяжелых фрезерных работ. Консоль перемещается по вертикальным направляющим станины (подача по оси Z'). По горизонтальным направляющим консоли движутся поперечные салазки (подача по оси У), а по направляющим салазок в продольном направлении — стол (подача по оси X'). Коробка скоростей смонтирована в корпусе станины. Механизмы поперечной и вертикальной подач расположены в корпусе консоли, а продольной подачи — в салазках.

Кинематическая схема вертикально-фрезерного станка мод. 6Р13Ф3

Главное движение. Шпиндель VIII получает вращение от асинхронного электродвигателя Ml (N=7,5 кВт, Л7 = 24,3 с-1) через коробку скоростей с тремя блоками зубчатых колес Б1, Б2, БЗ и передачи Z= 39—39, Z=42—41— 42 в шпиндельной головке. Механизм переключения блоков обеспечивает получение 18-и частот вращения и позволяет выбирать требуемую частоту вращения без прохождения промежуточных ступеней. Кинематическую цепь для минимальной частоты вращения шпинделя можно рассчитать следующим образом:

nmin = 24,3 * 31/49 * 16/38 * 17/46 * 19/69 * 39/39×42/41 *41/42=0,66 с-1.

Инструмент в оправке крепят вне станка с помощью сменных шомполов. Оправка имеет наружный конус 50 и внутренний конус Морзе № 4. Для крепления инструмента с конусами Морзе № 2 и № 3 применяют сменные втулки. Зажим инструмента осуществляется электромеханическим устройством. Смазывание подшипников и зубчатых колес коробки скоростей осуществляется от плунжерного насоса, расположенного внутри коробки скоростей.

Движение подач. Вертикальная подача ползуна со смонтированным в нем шпинделем осуществляется от высокомоментного двигателя М2 (М = 13 Н * м, n = 16,6 с-1) через зубчатую пару Z= 44—44 и передачу «винт—гайка качения» с шагом р = 5 мм. Предусмотрено ручное перемещение ползуна. На валу установлен датчик Д обратной связи — вращающийся трансформатор типа ВТМ-1 В.

Поперечная подача салазок осуществляется от высокомоментного двигателя М4 (М = 13 Н * м, п — 16,6 с-1) через беззазорный редуктор Z= 22—52—44 и «винт—гайку качения» с шагом р = 10 мм.

Продольная подача стола происходит от высокомоментного электродвигателя МЗ через беззазорный редуктор Z=26—52 и «винт—гайку качения» XIII с шагом p=10 мм. В редукторах продольного и поперечного перемещений установлены датчики Д обратной связи и вращающиеся трансформаторы типа ВТМ-1 В. Зазор направляющих стола и салазок выбирают клиньями. Зазор в передачах «винт—гайка качения» устраняют поворотом обеих гаек в одну сторону.

Определение последовательности операций для изготовления заданной детали Согласно заданию необходимо изготовление данной детали:

Для производства данной детали необходимо выполнить следующие операции:

Подвести заготовку к токарному станку 16Б16Ф3

Базировать и закрепить заготовку на станке в самоцентрирующих кулачках Точить контур до диаметра 100 мм Точить контур до диаметра 40 мм Снять заготовку со станка Поднести заготовку к вертикально-фрезерному станку 6Р13Ф3

Базировать и закрепить заготовку на станке в самоцентрирующих тисках Фрезеровать торец Снять заготовку со станка Компоновка РТК Где:

Напольный робот Универсал 5.02

Вертикально-фрезерный станок 6Р13Ф3

Станок токарный патронно-центровой 16Б16Ф3

Кассеты с заготовками Бункер для сбора готовых деталей Технологическая схема РТК Привязка датчиков и исполнительных механизмов к портам микроконтроллера.

Для подключения промышленного робота-манипулятора и станочного оборудования к микроконтроллеру используются порты, в частности: E-порты датчиков и Z-порты нагрузок.

E-порты датчиков

Z-порты нагрузок (Исполнительные механизмы)

Технологическая карта производственного процесса

Построение временных циклограмм технологических операций Первичное описание алгоритма функционирования технологического объекта В качестве первичного описания алгоритма заданного ОУ будем использовать аппарат графов операций, реализуемый с помощью математического аппарата Сети Петри (N-схемы). С помощью данного этапа алгоритмического проектирования решаются задачи декомпозиции алгоритма, устанавливаются причинно-следственные связи между состояниями технологического процесса, проверяется корректность первичного описания алгоритма.

В графе операций используются вершины двух типов, изображаемых кружками (позиции) и прямоугольниками (переходы), в котором стрелками соединяются только вершины разного типа. В позиции графа помещаются метки (маркеры, точки), которые перемещаются из одних позиций в другие по определенным правилам, отображая динамику управляемого процесса. Размещение точек в позициях в каждый момент времени называется маркировкой графа; при задании графа всегда фиксируется его начальная маркировка.

Промежуточное описание алгоритма управления объектом в виде системы конъюнктивных секвенций.

На этапе логического проектирования происходит переход от первичного графического описания логического алгоритма к промежуточному, в процессе которого происходит взаимнооднозначное преобразование графического описания в аналитическую форму, которое, в свою очередь, обладает рядом положительных свойств, необходимых для подготовки ввода описания логического алгоритма в микроконтроллер, т. е. создание математическрй модели.

Это промежуточное описание можно осуществлять на языке систем секвенций. Для алгоритмов логического управления дискретными технологическими объектами очень подходит аналитическая форма графа операций в виде системы конъюктивных секвенций, которая упрощает переход от первичного графического описания к управляющей программе. При этом в левой части секвенциальных операторов содержится конъюкция, состоящая из логических переменных, кодирующих позиции, из которых ведет данный переход графа операций и логических переменных, взвешивающих данный переход. В правой части содержится конъюкция, состоящая из логических переменных, кодирующая позиции, в которые ведет данный переход и логических переменных, взвешивающих эти позиции. Аналитическое описание алгоритма управления РТК в виде системы конъюктивных секвенций будет выглядеть следующим образом:

M0:

Граф-схема алгоритма, реализующая систему конъюнктивных секвенций

P0=1

X1=1

X3=1

З0=0бЗ1=1бЗ10=1бН1=1бН10=1

З1=1

Ч6=0

Ч7=1

З1=0бЗ2=1бН6=0бН7=1

З0=1

Ч12=0

Ч13=1

Ч15=1

З0=0бЗ3=1бН12=0бН13=1бН15=1

З3=1

З7=1

Ч8=0

Ч9=1

Ч13=0

З3=0бЗ7=0бЗ4=1бН8=0бН9=1бН13=0

З4=1

Ч10=1

Ч13=0

З4=0бЗ5=1бН10=1бY13=0

P5=1

P14=1

P5=1

X8=1

X9=0

X13=0

З5=0бЗ14=0бЗ15=0бЗ6=1бН8=1бН9=0бН13=0

З6=1

Ч11=1

Ч8=1

Ч13=0

З6=0бЗ7=1бН8=1бН11=1бН13=0

З4=1

Ч10=0

Ч13=0

З4=0бЗ2=1бЗ8=1бН10=0бН13=0

З15=1

Ч15=1

З15=0бЗ9=1бН15=1

З2=1

З4=1

З8=1

З16=1

Ч6=1

Ч7=0

З2=0бЗ4=0бЗ8=0бЗ16=0бЗ1=1бН6=1бН7=0

З10=1

Ч3=0

Ч4=1

З10=0бЗ11=1бН3=0б Н4=1

З11=1

Ч3=0

Ч4=1

Ч5=1

З11=0бЗ12=1бН3 =0бН4=1бН5=1

З12=1

Ч3=0

Ч4=1

Ч5=0

З12=0бЗ13=1бН3 =0бН4=1бН5=0

З13=1

Ч3=1

Ч4=0

З13=0бЗ10=1бН3 =1бН4=0

З7=1

З2=1

Ч9=1

Ч10=1

Ч13=0

З2=0бЗ7=0бЗ14=1бН9 =1бН10=1бН13=0

З6=1

Ч11=1

Ч9=1

Ч13=0

З6=0бЗ3=1бН9=1бН11=1бН13=0

З4=1

Ч16=1

Ч9=1

З4=0бЗ15=1бН9=1бН16=1

З9=1

З13=1

Ч17=1

З9=0бЗ13=0,P0=1,Y17=1

P14=1

X14=1

P14=0, P16=1,Y14=1

Управляющая программа в системе команд микроконтроллера МКП-1

Программное управление РТК в соответствии с алгоритмом осуществляется в автоматическом режиме. Управляющая программа хранится в энергонезависимом запоминающем устройстве (ЭНЗУ) микроконтроллера. Команды управляющей программы записываются в модулях ЭНЗУ. Адресное пространство каждого модуля образует одну зону памяти, каждая из которых в свою очередь делится на 2 страницы памяти, таким образом, объем каждой страницы памяти составляет 256 байт, что позволяет записать в неё 128 команд (одна команда занимает в памяти ЭНЗУ 2 байта). Объём памяти модуля ЭНЗУ составляет 512 байт и позволяет осуществить запись 256 команд. Таким образом, диапазон адресов памяти ЭНЗУ: 000…015F

Заключение

В результате выполнения курсовой работы была разработана микропроцессорная система управления (МСУ) роботизированным технологическим комплексом для механической обработки шпоночных пазов валов фрезерованием на базе вертикально-фрезерного станка и промышленного робота.

Составлена программа управления в системе команд промышленного микроконтроллера МКП — 1.

Программа полностью обеспечивает выполнение заданного алгоритма управления внешним технологическим оборудованием.

При этом на каждом этапе проектирования соблюдается принцип локальности преобразований.

Список используемой литературы

1. Станки с программным управлением и промышленные роботы/Под ред. С. Е. Локтевой.-2-е изд., перераб. и доп. -М.:Машиностроение, 1986.

2. Мурачёв Е. Г. Лекции по курсу «Программные средства САУ», МГТУ «МАМИ», 2011

3. Матросова В. В, Мурачев Е. Г., Чекмазова Н. А. «Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Программные средства САУ», М, МГТУ «МАМИ», 2011

4. Режимы резания металлов: Справочник/ Ю. В. Барановский, Л. А. Брахман, А. И. Гдалевич и др.- М.: НИИТавтопром, 1995.

5.Бунько Е. Б., Меша К. И., Мурачев Е. Г., В. И. Харитонов и др.; Управление техническими системами; - М, Изд."ФОРУМ", 2010

6. Веденов В. М., Сиротский А. А. Лабораторные работы по курсу «Системы автоматического программного управления технологическим оборудованием и промышленными роботами». Методические указания с заданиями для выполнения лабораторных работ по курсу «Системы автоматического управления» для студентов седьмого семестра. М, МГТУ «МАМИ», 2000 г.

7. Промышленные роботы в машиностроении: Альбом/ Ю. М. Соломенцев, К. П. Жуков, Ю. А. Павлов и др.-М.:Машиностроение, 1987.