Разработка технической реализации стенда для изучения механизмов двумерного позиционирования в автоматизированных системах

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

В выпускной квалификационной работе бакалавра, согласно заданию необходимо разработать техническую реализацию стенда для изучения механизмов позиционирования в автоматизированных системах, а именно, механизм двухмерного позиционирования.

Механизм двухмерного позиционирования занимает очень важную роль в современном производстве. В настоящее время ни одно производство не обходится без использования механизмов позиционирования.

В производственных компаниях механизм двухмерного позиционирования встречается в разных видах конструкции. Например, в производственных цехах используются на фрезерных и токарных станках с ЧПУ. Также двумерные механизмы позиционирования используются полиграфии. Точность при их использовании очень высока. Например, плоттер использует такой механизм, чтобы перемещаться по заданной траектории и вырезать из шаблона нужные изделия. Если система позиционирования ошибется, то это приведет к пустой трате материала. Поэтому такие механизмы делаются так, чтобы подобных ошибок не было.

Автоматизация установочных перемещений объектов труда и рабочих органов автоматизированного оборудования сделала актуальной проблему создания нормализованных устройств и механизмов, обеспечивающих решение задачи позиционирования в различных областях промышленности. Так как, тема выпускной работы бакалавра является актуальной на сегодняшний день, и двухмерные механизмы позиционирования являются одним из компонентов автоматизированных производственных систем, которые позволяют улучшить качество и производительность труда.

Целью данной выпускной работы бакалавра является разработка макета двухмерного позиционирования.

Основными задачами для реализации цели являются:

- анализ технического задания;

- анализ методов построения механизмов двухмерного позиционирования;

- рассмотрение ряда аналогичных конструкций;

- анализ архитектуры автоматизированной системы;

- разработка конструкций механизма двухмерного позиционирования.

Решение данных задач позволит реализовать поставленную цель.

1. Анализ исходной информации и обзор аналогичных решений

1.1 Анализ технического задания на бакалаврскую работу

Целью выпускной квалификационной работы бакалавра является разработка стенда для изучения механизма двумерного позиционирования. Лабораторные работы, которые, будут проводиться на данном стенде, будут знакомить студентов с механизмом двумерного позиционирования и формировать в представлении студентов базовые принципы его работы. Так как данная тема является актуальной, студенты будут получать ценные навыки и знания, которые могут иметь широкое применение в быстроразвивающемся современном мире. С использованием механизма двумерного позиционирования можно заменить человеческий труд машинным, автоматизировать проектирование, что в результате даст высокую производительность.

Разрабатываемый макет двухмерного позиционирования должен совершать действия черчения, рисования с помощью пишущего элемента на листе бумаги, обеспечивать плавность и бесшумность работы механизма позиционирования, также обеспечивать высокую точность. Данный лабораторный макет является аналогом автоматизированного плоттера, который может использоваться в любом производственном предприятии. На рисунке 1.1. Представлена конструктивная схема рулонного плоттера.



Рисунок 1.1 - Конструктивная схема рулонного плоттера

Для осуществления поставленной задачи необходимо, собрать двигательные элементы конструкции механизма позиционирования, которые приводится в действие с помощью приводов, преобразующих первичную энергию в механическую и осуществляющих вращательное или поступательное движение. Которое используется (прямо или косвенно) для приведения в действие вращательного или призматического сочленения. В конструкцию макета входят шаговые двигатели. Шаговые двигатели позволяют с высокой точностью преобразовывать цифровой электрический сигнал непосредственно в дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.

Для передвижения пишущего элемента расположенного в каретке используется механизм ременной передачи. В макете используется зубчатый ремень длинной 70 см.

Ременная передача -- это передача механической энергии при помощи гибкого элемента (ремня) за счёт сил трения или сил зацепления (зубчатые ремни). Может иметь как постоянное, так и переменное передаточное число (вариатор), валы которого могут быть с параллельными, пересекающимися и со скрещивающимися осями. Состоит из ведущего и ведомого шкивов и ремня (одного или нескольких).

Обеспечить правильное позиционирование каретки с пишущим элементом при помощи ленты энкодера и оптопары. Также макет включает в себя механизм крепления бумаги (барабанный, планшетный, роликовый ) в данной конструкции механизма позиционирования используются элементы крепления бумаги, прижимные ролики. В макете используется 8 прижимных роликов, которые размещены на двух валах.

Обеспечить связь устройства с ПК с помощью подключения его через параллельный или последовательный порт. Разработать механизм крепления пишущего элемента.

Необходимо написать программу для управления лабораторным макетом. Разработать внешний вид устройства. Лабораторный макет должен иметь следующие габаритные размеры: ширина 50см, высота 20см, длинна 25см, размеры подставки для бумаги 25х30 см, вес макета 4 кг.

1.2 Анализ аналогичных конструкций

Аналогичные конструкции графопостроителей.

К аналогичным конструкциям двухмерных механизмов позиционирования относятся графопостроители (плоттеры).

Графопостроитель (плоттер)устройство для автоматического вычерчивания с большой точностью рисунков, схем, сложных чертежей, карт и другой графической информации на бумаге размером до A0 или кальке.

Графопостроители рисуют изображения с помощью пера (пишущего блока).

По принципу действия электромеханические векторные графопостроители делятся на устройства с неподвижным носителем информации им устройства с перемещаемым носителем информации.

В планшетных графопостроителях носитель неподвижно закреплён на плоском столе. Закрепление либо электростатическое, либо вакуумное, либо механическое за счёт притягивания прижимающих бумагу пластинок, к электромагнитам, вмонтированным в поверхность стола. Специальной бумаги не требуется. Головка перемещается по двум перпендикулярным направлениям. Размер носителя ограничен размером планшета. На рисунке 1.2 представлен барабанный плоттер.

Имеются три разновидности графопостроителей с перемещающимся носителем:

- барабанные графопостроители, в которых носитель фиксированного размера укреплён на вращающемся барабане;

Рисунок 1.2 - Барабанный плоттер

- фрикционные графопостроители, в которых носитель перемещается с помощью фрикционных роликов. Эти графопостроители (при равных размерах чертежа) много меньших габаритов, чем барабанные. Одна из новых разновидностей фрикционного графопостроителя, появившаяся благодаря технологическим достижениям в металлообработке

- графопостроитель с абразивной головкой, в которых валики привода бумаги стальные со специальной насечкой, не забивающейся волокнами бумаги;

- рулонные графопостроители, которые подобны фрикционным, но используют специальный носитель с краевой перфорацией. На рисунке 1.3 представлен рулонный графопостроитель.



Рисунок 1.3 - Рулонный графопостроитель

Вне зависимости от способа перемещения носителя, система привода графопостроителей с произвольным сканированием использует либо шаговые двигатели, поворачивающиеся на фиксированный угол при подаче одного импульса, либо исполнительную систему с обратной связью, содержащую двигатели привода и датчики положения. Перемещения с шаговыми двигателями обычно выполняются на 1 шаг по одному из 8 направлений.

Поэтому требуется аппроксимация вычерчиваемой кривой штрихами основных направлений. Повышение точности аппроксимации достигается как уменьшением шага, так и путём увеличения числа направлений перемещения за счёт использования дополнительных пар моторов или за счёт изменения передаточного числа.

Основное преимущество графопостроителей состоит в обеспечение высокой точности черчения. Графопостроители могут работать автономно, воспринимая исходные данные с промежуточного носителя - диска, непосредственно с ЭВМ, используя интерфейсы различных типов. Графопостроители состоят из трех основных частей: блока механизма, блока управления исполнительными каналами устройства и системы управления.

Блок механизма представляет собой планшетный или барабанный механизм, предназначенный для организации перемещения в плоскости чертежа пишущих элементов, а также их подъема и опускания.

Блок управления исполнительными каналами по координатам Х и У строится как по замкнутому принципу (с использованием обратной связи), так и по разомкнутому принципу. В первом случае для привода применяются малоинерционные двигатели постоянного тока с датчиком обратной связи по положению и скорости, во втором случае шаговые двигатели. В последние годы широкое распространение получили графопостроители с перемещением вдоль одной оси носителя с помощью абразивного вала. Это позволило значительно снизить энерго и материалоемкость. По сравнению с планшетными построителями масса снижается в 3-5 раз, однако точность у таких построителей, как правило, ниже, чем у планшетных.

Электростатические графопостроители работают на безударном электрографическом растровом принципе. Специальная диэлектрическая бумага перемещается под электростатической головкой, содержащей иголки с плотностью 40-100 на 1 см. К иголкам прикладывается отрицательное напряжение в результате чего диэлектрическая бумага заряжается и на ней создаётся скрытое изображение. Затем бумага проходит через бокс, в котором над ней распыляется положительно заряженный тонер. Заряженные области притягивают частицы тонера. В цветных системах этот процесс повторяется для каждого из основных субтрактивных цветов голубого, пурпурного и жёлтого, а также чёрного.

Электростатические графопостроители быстрее перьевых графопостроителей, но медленнее лазерных печатающих устройств. Их скорость составляет от 500 до 1000 линий, наносимых на бумагу в 1 мин. Они работают с разрешением 200-400 точек на дюйм. Электростатические графопостроители необходимы, если требуется высококачественный цветной вывод для CAD-системы. Такой графопостроитель в 10-20 раз быстрее перьевого.

Таблица 1.1 - Основные параметры графопостроителей

	Планшетные	Барабанные
Формат черчения	Ширина 210-840 мм. Длина 297-1188 мм	Ширина 210-1140 мм. Длина 297 мм -не ограничена
Скорость черчения	80-1140 мм/с	30-300 мм/с
Точность	0.8-0.0025 мм	0.7-0.0025 мм
Разрешение	0.4-0.0025 мм	0.1-0.0025 мм

Аналогичные конструкции станков с ЧПУ.

Существует классификация систем числового программного управления по виду управления движением. СЧПУ бывают позиционными, прямоугольными и контурными. Позиционные системы - это системы, обеспечивающие точную установку исполнительного механизма в заданное положение. До начала процесса обработки выполняется установка исполнительного элемента в точке с заданными координатами, после этого начинается обработка. В отличие от позиционных систем прямоугольные системы обеспечивают последовательное включение продольной и поперечной подач станка при обработке поверхности ступенчатой формы. На рисунке 1.4 представлен фрезерный станок с ЧПУ. Данный вид СЧПУ используется в токарных, револьверных, фрезерных станках. Системы ЧПУ, обеспечивающие непрерывное управление рабочими элементами для получения необходимого контура обработки, называют контурными.

Рисунок 1.4 - Фрезерный станок с ЧПУ

1.3 Анализ принципов двухмерного позиционирования

На сегодняшний день в производственной сфере получи широкое применение механизмы двухмерного позиционирования. В данном разделе будут изложены принципы двухмерного позиционирования. Существует множество принципов и механизмов двухмерного позиционирования, построенных на различных основах и принципах перемещения.

Механизм позиционирования на основе винтовой передачи.

Винтовая передача - механическая передача, преобразующая вращательное движение в поступательное, или наоборот. В общем случае она состоит из винта и гайки. На рисунке 1.5 представлен механизм винтовой передачи. Чем меньше шаг резьбы, тем точнее будет перемещение исполнительного механизма. Принцип действия механизма следующий: шаговый двигатель вращает вал с резьбой и приводит в движение исполнительный механизм, перемещая его на нужную позицию. Примером использования такого механизма в производстве радиоэлектронной аппаратуры является автоматический крестовый стол автомата пайки печатных плат.

Рисунок 1.5 - Механизм винтовой передачи

Механизм позиционирования на основе контурной передачи.

Формообразующие системы ЧПУ реализуют движение исполнительного органа станка одновременно по двум и более осям координат, за счет чего появляется возможность производить обработку контуров и поверхностей сложной формы. В данных системах используют многокоординатный (как минимум двух координатный) интерполятор, выдающий управляющие сигналы сразу на соответствующее количество приводов подач.

Прямоугольные и формообразующие системы ЧПУ относятся к контурным (непрерывным) системам. На рисунке 1.6 представлен механизм контурной передачи. Контурные системы ЧПУ обеспечивают автоматическое перемещение исполнительных органов станка по управляющей программе, которая задает траекторию перемещения и контурную скорость, с которой оно выполняется. Многоцелевые (сверлильно-фрезерно-расточные) станки с ЧПУ оснащаются, как правило, гибридными контурно-позиционными системами управления, позволяющие оптимизировать управление станка в зависимости от вида обработки.

Рисунок 1.6 - Механизм контурной передачи

Механизм позиционирования на основе ременной передачи.

Ременная передача - передача трением с гибкой связью (рисунок. 1.7). Состоит из ведущего 1 и ведомого 2 шкивов и ремня 3, надетого на шкивы с предварительным натяжением. В состав передачи могут входить натяжные устройства и ограждения. Возможны передачи с двумя или несколькими ведомыми шкивами.

Рисунок 1.7 - Ременная передача

По принципу работы различают ременные передачи трением (большинство передач) и зацеплением (зубчато-ременные). Передачи трением по форме поперечного сечения ремня разделяют на плоскоременные, клиноременные, поликлиновые и круглоременные.

К достоинствам ременных передач следует отнести:

- возможность передачи движения на значительные расстояния;

- плавность и бесшумность работы;

- возможность работы с высокими частотами вращения;

- предохранение механизмов от резких колебаний нагрузки и ударов;

- защита от перегрузки за счет проскальзывания ремня по шкиву;

- высокий КПД (до 98 %);

- низкая стоимость.

Недостатки ременных передач:

- значительные габариты (обычно в несколько раз большие, чем у зубчатых);

- неизбежность некоторого упругого скольжения ремня и как следствие этого непостоянство передаточного отношения;

- повышенные силы воздействия на валы и опоры, так как для передачи сил трения нужны значительные силы прижатия и их назначают по максимальной нагрузке;

- необходимость, за редкими исключениями, устройств для натяжения ремня;

- необходимость предохранения ремня от попадания масла;

- малая долговечность ремня в быстроходных передачах.

Широкую область применения приводных ремней обеспечивают им простота конструкции ременной передачи и возможность быстрой замены ремня в случае выхода его из строя. Ограничением для применения приводных ремней являются большие габаритные размеры шкивов и относительно малая передаваемая мощность (ремни приводные обеспечивают передачу мощности обычно в пределах 50 кВт).

Принцип работы передачи с зубчатым ремнем основан на зацеплении зубьев ремня и шкива (рисунок. 1.8), что обусловливает основные преимущества такой передачи. Ремни зубчатые обеспечивают равномерный плавный ход передачи практически без проскальзывания или рывков, при этом нагрузка на валы и подшипники механизма значительно ниже, чем создают приводные ремни других типов. Зубчатые ремни не чувствительны к изменению интенсивности нагрузки, даже при частом переходе от максимальной нагрузки к минимальной износ ремня не усиливается. Ремни зубчатые не нуждаются в дополнительном смазывании, таким образом, при эксплуатации зубоременная передача, обладая достаточно высокой надежностью и долговечностью, не требует дополнительного обслуживания.



Рисунок 1.8- - Передача с зубчатым ремнем

Передачи с зубчатыми ремнями применяют в широком диапазоне окружных скоростей (от 0,5 до 80 м/с), мощностей (от 0,2 до 200 кВт) и передаточных отношений (до 10 и выше). КПД передач составляет 0,94 - 0,98.

1.4 Постановка задачи

Основной задачей выпускной квалификационной бакалаврской работы является разработка и создание механизма двухмерного позиционирования.

Основные цели:

- макет должен уметь работать автономно от человека, а так же иметь средство управления;

- макет двухмерного позиционирования должен совершать действия черчения, рисования с помощью пишущего элемента на листе бумаги.

Задачи, которые должны быть исполнены для выполнения поставленной цели:

- выбор материала, из которого будет собран стенд;

- выбор типа пишущего устройства;

- выбор двигателей;

- разработка схемы принципиальной;

- разработка структурной схемы.

2. Разработка структуры разрабатываемого макета

2.1 Разработка архитектуры автоматизированной системы

Структурная схема представляет собой основные блоки макета и связи между ними. Микроконтроллер производит опрос входа управления, управление позиционированием и шаговыми двигателями.

Датчик позиционирования, оптопара и линейка энкодера являются органом «зрения» механизма, с их помощью осуществляется определение позиции каретки.

Первый двигатель предназначен для перемещения механизма пишущего элемента по координатной оси Х (перемещение вправо, влево). Второй двигатель предназначен приведения в действие механизма захвата и перемещения бумаги, покоординатной оси Y.

Электромагнит служит для установления пишущего элемента в активную позицию его использования, а также возврат в пассивное состояние. Преимуществом электромагнитов является большая сила притяжения, быстрота срабатывания и простота конструкции. К их недостаткам следует отнести возможность использования только для работы с деталями из магнитных материалов и наличие остаточного магнетизма.

Для реализации связи с внешними устройствами, а также с ПК служит последовательный порт RS-232.

2.2 Структура модуля управления

Управление механизмом двухмерного позиционирования осуществляется двумя способами: первый это при помощи пульта управления управляется непосредственно человеком, второй это программный способ управление осуществляется автономно.

На рисунке 2.2 изображена функциональная схема модуля управления механизмом двухмерного позиционирования.

Рисунок 2.1 - Функциональная схема управления механизмом двухмерного позиционирования

Блок микроконтроллера осуществляет работу управления электронными устройствами. Микроконтроллер программируется для соответствующей работы ПП и программного управления механизмом двухмерного позиционирования в автономном режиме.

Блок взаимодействия с датчиками движения осуществляет связь между оптопарой, энкодером и микроконтроллером, что в свою очередь обеспечивает их соответствующую работу по определению позиции каретки с пишущим элементом.

Блок взаимодействия с шаговыми двигателями осуществляет связь между шаговыми двигателями и микроконтроллером. Благодаря этому элементы механизма двухмерного позиционирования способны перемещаться в пространстве.

Блок приемопередатчика (MAX 232) преобразовывает сигналы последовательного порта RS-232 в сигналы, пригодные для использования в цифровых схемах на базе КМОП технологий. MAX232 работает приемопередатчиком и преобразует сигналы RX, TX, CTS и RTS.

Блок управления пишущим элементом осуществляет связь между электромагнитом и программой управления. Благодаря этому пишущий элемент может опускаться подниматься.

2.3 Разработка алгоритма работы устройства

После включения питания выполняется инициализация программы работы устройства. Проводится проверка готовности к выполнению программы. Если программа не готова к выполнению, то проводится индикация неисправности. Если программа инициализирована и то контроллер ожидает сигнала от датчика, после поступления сигнала определяется текущее местоположение каретки.

После того как определено местоположение каретки, от микроконтроллера подается сигнал на драйвер шагового двигателя. После чего каретка перемещается в заданную позицию и останавливается. Далее, подается сигнал напряжение то МК и через резистор R1 сигнал поступает на базу транзистора. Транзистор открывается и реле срабатывает. Его контакты замыкают цепь нагрузки и электромагнит срабатывает. Выключение питания по завершения работы.

3. Разработка конструкции устройства

3.1 Особенности конструкции

На рисунке 3.1, 3.2 представлен внешний вид механизма двухмерного позиционирования.

Рисунок 3.1 - Конструктивная схема механизма двухмерного позиционирования

На рисунке 3.1 перечислены следующие элементы:

1) пишущий блок;

2) лента энкодера;

3) направляющий вал;

4) верхние прижимные ролики;

5) нижние прижимные ролики4

6) подставка для бумаги;

7) редукторный механизм.



Рисунок 3.2 - Внешний вид «сверху» механизма двухмерного позиционирования

На рисунке 3.2 перечислены следующие элементы:

1) ремень перемещения каретки;

2) пишущий блок;

3) редукторный механизм;

4) лента энкодера;

5) прижимные ролики;

6) подставка для бумаги.

Особенностью проектируемого механизма является использования шаговых двигателей в качестве двигателей механизма двухмерного позиционирования.

Шаговые двигатели позволяют с высокой точностью преобразовывать цифровой электрический сигнал непосредственно в дискретные угловые перемещения (шаги) ротора. По принципу действия шаговый двигатель относится к двигателям синхронного типа, в нем существует связь между сигналом питания и положением ротора двигателя. Он обладает недостатками, связанными с неустойчивостью вращения при ускорении и торможении; кроме того, его рабочие характеристики, имеют ограничения. Следует отметить, что вращающий момент двигателя зависит от положения ротора. Эти недостатки можно устранить, если согласовать систему питания с конструкцией двигателя.

Шаговые двигатели делятся на три типа:

- двигатели с ротором, представляющим собой постоянный магнит (магнитоэлектрические);

- синхронные двигатели с переменным магнитным сопротивлением (индукторные);

- гибридные двигатели (или синхронные реактивные двигатели), которые обладают свойствами двигателей первых двух типов.

В таблице 3.1 перечислены характеристики шагового двигателя, который выбран для выполнения поставленной задачи.

Таблица 3.1 - Характеристики шагового двигателя

Характеристики	Шаговый двигатель M42SP-5P
Номинальное напряжение	12B
Рабочее напряжение	10-12В
Вес (г)	65
Размеры (мм)	49,5х42х23
Количество обмоток	4
Сопротивлению постоянного тока катушки	120
Угловой шаг	7,5

На рисунке 3.3 представлены габаритные размеры шагового двигателя.

Рисунок 3.3 - Габаритные размеры шагового двигателя M42SP-5P

Для передвижения пишущего элемента по оси Х в механизме двухмерного позиционирования используется механизм зубчато-ременной передачи. Длинна используемого ремня составляет 70 см.

Зубчатый ремень представляет собой бесконечную ленту с зубьями на внутренней поверхности, состоящую из несущего слоя, выполненного из стального троса или шнура из синтетических волокон, и эластичного связующего материала, резины или полиуретана. Для повышения износостойкости зубья ремня, выполненные из резины, покрывают нейлоновой тканью.

На рисунке 3.4 представлен механизм ременной передачи.

Рисунок 3.4 - Механизм ременной передачи

Для прижатия бумаги и перемещения по координатной оси Y в механизме двухмерного позиционирования используются прижимные ролики. Данные ролики размещены на двух валах в к количестве 8 штук. На первом вале, длинна которого составляет 32 см размешены 4 ролика, диаметром 24 мм, длинна прижима роликами составляет 20см.

На втором вале длинною 32 см размещено 4 ролика диаметром 17 мм, длинною прижима 19 см.

На рисунке 3.5 показан метод крепления бумаги с помощью прижимных роликов.

Рисунок 3.5 - Прижимные ролики

На рисунке 3.5 перечислены следующие элементы:

1) левое крепление для вала;

2) верхние прижимные ролики;

3) вал для верхних прижимных роликов;

4) правое крепление для вала

5) вал для нижних прижимных роликов;

6) нижние прижимные ролики.

В механизме двухмерного позиционирования имеется пишущий элемент для его опускания и поднятия в механизме используется электромагнит. Потребляемая мощность 12В, ток потребления 0,6 А. Также необходимо подобрать метод крепления к электромагниту пишущего элемента. На рисунке 3.6 изображен электромагнит.

Рисунок 3.6 - Электромагнит с элементами крепления

В механизме двухмерного позиционирования в качестве пишущего элемента используется стержень. На рисунке 3.7 представлен пишущий элемент и метод его крепления к электромагниту.



Рисунок 3.7 - Крепление пишущего стержня к электромагниту

3.2 Выбор микроконтроллера

Микроконтроллер - компьютер на одной микросхеме. Предназначен для управления различными электронными устройствами и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в микроконтроллер программой.

Микроконтроллер должен обеспечивать прием аналоговых сигналов от датчика, производить их обработку и формировать управляющий сигнал для двух драйверов шаговых двигателей. В связи с этим в качестве микроконтроллера будет использован PIC16F876A, так как в нем присутствует встроенный АЦП для преобразования аналоговых сигналов с датчиков. Технические характеристики PIC16F876A приведены в таблице 3.2

Таблица 3.2 - Технические характеристики PIC16F876A

Размер ядра	8-Bit
Скорость	20MHz
Число вводов/выводов	22
Периферия	Brown-out Detect/Reset, POR, PWM, WDT
Подключения	IІC, SPI, UART/USART
Размер программируемой памяти	14KB (8K x 14)
Тип программируемой памяти	FLASH
EEPROM Size	256 x 8
Размер памяти	368 x 8
Напряжение источника (Vcc/Vdd)	4 V ~ 5.5 V
Преобразователи данных	A/D 5x10b
Тип осцилятора	External
Рабочая температура	-40°C ~ 85°C
Корпус (размер)	28-DIP (0.300", 7.62mm)

4. Разработка схемы электрической принципиальной

4.1 Описание работы схемы электрической принципиальной

Схема электрической принципиальной изображена на рисунке 4.1

Рисунок 4.1 - Схема электрическая принципиальная

На микросхеме DА1 собран преобразователь интерфейса из уровней TTL в напряжения интерфейса RS232. Конденсаторы С1 - С5 предназначены для обеспечения правильной работы преобразователя. К разъему XP4 подключается кабель для соединения с ПК.

На микросхеме DA2 собран стабилизатор напряжения. На вход DA2 поступает напряжение 12В, а с выхода снимается напряжение 5В, которое необходимо для работы схемы.

В качестве управляющего устройства шаговыми двигателями использованы микросхемы ULN2003. Микросхема ULN2003 представляют собой набор мощных составных ключей с защитными диодами на выходе. Наличие защитных диодов позволяет подключать индуктивные нагрузки без дополнительной защиты от выбросов обратного напряжения.

Особенности:

- номинальный ток коллектора 500 мА (одного ключа);

- высоковольтный выход до 50 В;

- встроенный защитный диод на выходе;

- вход совместим с различными типами логики;

- возможность использования для управления реле;

К разъемам ХР2, ХР3 подключены шаговые двигатели. К разъему ХР2 подключен шаговый двигатель, передвигающий каретку по оси координат Х.

К разъему ХР3 подключен шаговый двигатель, приводящий в движение вал механизма.

Также на входы DD1 PIC16F876A подключены выходы DD2 WH1602, ЖК индикатора предназначенного для отображения графических символов.

В качестве управляющего устройства пишущим элементом в макете выступает электромагнит. Для того, что бы включить нагрузку, микроконтроллер выставляет на своем выходе (в данном случае на выходе PС4) сигнал логической единицы.

Напряжение через резистор R1 поступает на базу транзистора. Транзистор открывается и реле срабатывает. Его контакты замыкают цепь нагрузки. Для отключения нагрузки микроконтроллер выставляет на своем выходе сигнал логического нуля. На базе VT1 напряжения снижается до нуля. Транзистор закрывается и реле отключается.

Диод VD1 служит для защиты схемы от напряжения самоиндукции, которое возникает в обмотке реле при снятии с нее напряжения. Резистор R2 нужен для более надежного закрывания транзистора VT1.

4.2 Выбор элементной базы

Целью выбора является проверка соответствия параметров выбранных типов ЭРЭ условиям эксплуатации разрабатываемого устройства согласно технического задания (ТЗ) требованиям по климатическому исполнению, допустимым механическим воздействиям и надежности.

В качестве элементной базы, в макете применены ЭРЭ различных производителей.

В таблице 4.1 указаны эксплуатационные характеристики ЭРЭ.

Таблица 4.1 - Эксплуатационные характеристики ЭРЭ

Тип элемента	Кол-во элементов данного типа, шт.	Допустимые значения
		Температура окружающей среды, С	Относительная влажность воздуха, %	Механические воздействия
				Вибрации
				Диапазон частот, Гц	Амплитуда, м/с2
Конденсаторы ECR	8	-25…+85	98	1-500	7,5
Микроконтроллер PIC16F876	1	-40…+125	98	1-2000	55
ULN2003	2	-20…+70	98	1-2000	50
Кварцевый резонатор KX-3H 20 МГц	1	-20…+70	97	1-200	10
Оптопара	1	-40…+100	98	1-100	55
МАХ 232	1	-40…+85	95	1-100	50
WH1602	1	+10…+55	35	1-1200	20
Резисторы R1-R3	3	-55…+125	97	1-500	18

Эксплуатационные характеристики выбранных типов ЭРЭ соответствуют требованиям ТЗ по климатическому исполнению и механическим воздействиям.

5. Разработка конструкций модуля с печатным монтажом

5.1 Разработка печатного модуля

Размещение ЭРЭ основывается на критерии двух минимумов: минимума длины связей и минимума пересечений, при этом ЭРЭ устанавливаются на пересечениях линий координатной сетки.

Модуль в целом крепится к стойкам корпуса при помощи 2-х винтов.

Все элементы на плату устанавливаются согласно ГОСТ 29137-91, пропусканием выводов в монтажные отверстия с последующей пайкой припоем ПОС-61 ГОСТ 21931-76.

Размеры платы могут быть определены методом аналитической компоновки. Необходимую для размещения ЭРЭ на плате площадь рассчитываем по формуле:

,

где - площадь i-го электро-радио элемента, см2; - коэффициент заполнения площади платы (0,5); n- количество элементов i-го типа.

Таблица 5.1 - Установочные характеристики конструктивных узлов

Типы элементов	Кол-во элементов данного типа	Установочная площадь одного элемента, мм2	Установочная площадь всех элементов, мм2	Масса одного элемента, г	Масса всех элементов, г
Резисторы R1-R3	3	19	57	0,15	0,45
Конденсатор электролитический	7	36	252	1,5	10,5
Кварц 20 MГц	1	40	40	2	2
Микроконтроллер PIC16F876	1	280	280	4	4
MAX 232	1	168	168	3	3
Разъем RS232	1	300	300	5	5
ULN 2003	2	168	336	5	10
Транзистор BC548B	1	10	10	0,5	0,5
Диод 1N4148	1	47	47	0,15	0,15
Всего			1490		35,6

Массогабаритные характеристики ЭРЭ приведены в таблице 5.1

Согласно данным таблицы 5.1 производим расчет площади печатной платы усилителя мощности по формуле:

Для того, чтобы поместить плату в стандартный корпус необходимо взять соотношение сторон равным 1:1. По значению рассчитанной площади определим стороны платы по формуле:

,

,

По ГОСТ 10317-79 сторона печатной платы должна быть кратной 2,5 а также с учетом запаса на трассировку и технологические зоны, выбираем длины сторон платы 100х150 мм, что удовлетворяет требованиям ТЗ.

Масса ЭРЭ в блоке рассчитывается по формуле:

,

где miе - сумма масс элементов, входящих в блок; mn - масса платы.

Массу платы , в свою очередь, можно приблизительно оценить по формуле:

,

где - длина, ширина и толщина платы, м; - плотность материала печатной платы (для текстолита ).

Масса печатной платы равна: (кг),

Расчет массы всего модуля управления макетом: (г).

Печатную плату будем изготавливать комбинированным методом. Произведем расчет печатной платы.

Шаг координатной сетки рассчитаем по формуле:

,

где t - ширина печатного проводника в мм, зависящая от тока; d - расстояние между печатными проводниками.

Ширину печатного проводника принимаем равной 0,90 мм, так как максимальное значение тока не велико (I=0,2 А).

Расстояние между проводниками принимаем равным 0,25 мм.

Тогда шаг координатной сетки будет равен

Ш = 0,9 + 0,25 = 1,15 (мм),

Следовательно, выбираем стандартный шаг координатной сетки 1,15 мм, что соответствует применяемой элементной базе.

Номинальное значение диаметра монтажного отверстия (для установки навесного элемента - резистора) рассчитаем по формуле:



где dЭ = 0,8 мм - максимальное значение диаметра вывода навесного элемента. r = 0,25 мм - разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным диаметром вывода устанавливаемого элемента; dHO = 0,05 мм - нижнее предельное отклонение номинального значения диаметра отверстия.

Номинальное значение ширины проводника определим по формуле:

где tМД =0,25мм - минимально допустимая ширина проводника; ДtHO = - 0,05мм - нижнее предельное отклонение ширины проводника.

Номинальное значение диаметра монтажного отверстия (для установки навесного элемента - конденсатора) рассчитаем по формуле:

Минимальный диаметр металлизированного отверстия рассчитаем по формуле:

где HП = 2 мм - толщина платы; г = 0,33 мм - отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы.

В настоящее время наибольшее применение в качестве материала печатного основания используют стеклотекстолит и гетинакс.

Стеклотекстолит обладает большей механической прочностью по сравнению с гетинаксом, поэтому в качестве материала печатного основания используется стеклотекстолит фольгированный СФ-1-35-1,5 ГОСТ 10317-79.

векторный графопостроитель двумерный автоматизированный

Выводы

В выпускной квалификационной работе бакалавра основное внимание уделено для создания макета двухмерного позиционирования. Был произведен выбор электроприводов, при помощи которых в движение приводятся части макета, также выбор управляющего микроконтроллера.

В первой части проведен анализ технологического задания. Проведен анализ по методам построения устройства двухмерного позиционирования, требования к устройству. Проанализированы аналогичные конструкции. Проведен анализ поставленных задач.

Во второй части была разработана архитектура автоматизированной системы макета двухмерного позиционирования. Разработана структура модуля управления устройством. Так же приведен алгоритм работы механизма двухмерного позиционирования.

В третьей части описаны особенности конструкции проектируемого макета двухмерного позиционирования.

В четвертой части была разработана схема электрическая принципиальная, проведен анализ элементной базы, приведено описание работы схемы принципиальной.

В пятом разделе была разработана конструкция модуля с печатным монтажом.

Литература

1. Методичні вказівки до підготовки випускної кваліфікаційної роботи бакалавра для студентів усіх форм навчання напрямку підготовки 6.050202 «Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології» Упоряд.: І.Ш. Невлюдов, О.В. Токарєва, Р.І. Цехмістро. - Харків: ХНУРЕ, - 2011. - 42с.

2. Попов, Е.П. Письменный Г.В. Основы робототехники / Г.В. Письменный, М.: Высш. школа, 1990.

3. Стешенко В.Б. EDA. Практика автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств / В.Б. Стешенко - Москва, Издатель Молгачева С.В., Нолидж, 2002 - 768с.

4. Державний стандарт України ДСТУ 3008-95. Документація. Звіти у сфері науки і техніки. Структура і правила оформлення - К.: Держстандарт України, 1995 - 55с.

5. Методичні вказівки з дипломного проектування. Напрямку підготовки 6.050202 «Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології» / Упоряд.: С.П. Новоселов, Б.О. Шостак, І.В. Жарікова. - Харків: ХНУРЕ, - 2012. - 60с.

6. Тревис Дж. LabVIEW для всех / Дж. Тревис: Пер. с англ. Клушин Н.А. -М.:ДМК. Пресс; ПриборКомплект,2005.-544с.

7. Козырев Ю.Г. Современные промышленные роботы: каталог / под ред. Ю.Г. Козырева, Я.А. Шифрина, М.: Машиностроение, 2002.

Размещено на Allbest.ru