Проектирование мобильной автоматизированной системы окрашивания

Обзор вариантов построения подобных промышленных роботов. Проектирование собственной конструкции мобильной автоматизированной системы окрашивания с помощью системы проектирования SolidWorks. Разработка системы управления с интерактивным интерфейсом.

Рубрика Программирование, компьютеры и кибернетика
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 21.09.2018
Размер файла 3,5 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Москва 2018 г.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ

ИМ. А.Н. ТИХОНОВА

Выпускная квалификационная работа

по направлению 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОБИЛЬНОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ОКРАШИВАНИЯ

Завелинский Илья Олегович

Аннотация

В настоящей выпускной квалификационной работе был изучен принцип работы автоматизированных систем окрашивания, был приведен подробный обзор вариантов построения подобных промышленных роботов, спроектирована собственная конструкция мобильной автоматизированной системы окрашивания с помощью системы автоматизированного проектирования SolidWorks, проведен и обоснован выбор комплектующих. На основе выбранных составных частей была создана и разработана система управления с интерактивным интерфейсом на графическом языке программирования G в программном комплексе LabVIEW.

In this final qualification work were studied the principles of operation of automated coloring systems, it was given a detailed overview of solutions of the constructing similar industrial robots, the own design of the automated mobile coloring system was designed using the CAD system SolidWorks, it was carried out and justified the choice of components. Based on the selected parts, the control system with an interactive interface was created and developed in the graphical programming language G in the LabVIEW software package.

Оглавление

Введение

1. Описание автоматизированной системы окрашивания

1.1 Мобильная автоматизированная система окрашивания и системы координат промышленных роботов

1.2 Классификация промышленных роботов

1.3 Режимы работы промышленных манипуляторов

1.4 Постановка задачи на проектирование мобильной автоматизированной системы окрашивания

2. Разработка конструкции мобильной автоматизированной системы окрашивания

2.1 Разработка конструкции

2.2 Обоснование выбора электронных составляющих элементов системы

2.3 Обоснование выбора составляющих элементов системы окрашивания

3. Разработка системы управления

3.1 Реализация системы управления с помощью программного комплекса LabVIEW

Заключение

Список использованных источников

Введение

Одной из основных тенденций развития современного мира является автоматизация всех процессов производства и работ, где есть возможность замены человеческого труда на выпуск профессиональной и качественной продукции с помощью роботизированных, не зависящих от человеческого фактора производственных мощностей. Проектируемая мобильная автоматизированная система окрашивания позволит решить целый спектр задач по окрашиванию изделий различной сложности без использования человека в данном процессе.

На данный момент существует большое количество автоматизированных систем, единственным минусом которых является стационарность в виду больших габаритов, массы и конструктивных особенностей. Любая мобильная система в отличие от промышленного комплекса имеет возможностью быстрого развертывания, подготовке к работе, а также возможностью использовать данную систему вне одного конкретного помещения, для возможности применения при решении целого комплекса задач по окрашиванию широкой номенклатуры изделий.

Мобильная система окрашивания позволит решить такие проблемы, как:

· автоматизация всех процессов окрашивания;

· возможность быстрого развертывания системы на объекте;

· исключение из работы человеческого фактора;

· увеличение производительности молярных и покрасочных работ;

· снижение себестоимости выпускаемой продукции на предприятиях.

1. Описание автоматизированной системы окрашивания

1.1 Мобильная автоматизированная система окрашивания и системы координат промышленных роботов

Мобильную автоматизированную систему окрашивания можно отнести к классу промышленных роботов, выполняющих различные функции. Такие автоматизированные системы используются для замены человеческого труда на производственных комплексах, при выполнении определенных операций, таких как подъем изделий, их окрашивание, сварка, перемещение с лент производственных конвейеров. Роботизированные линии позволяют практически полностью исключить человеческий фактор и работать с постоянными показателями качества производимой продукции и выполняемой работы, функционируя без выходных, перерывов на обед и исключая возможность получения травм сотрудниками предприятий. Практически все эти задачи выполняются благодаря манипуляторам, копирующим человеческую руку, имеющим определенное количество сочленении, шарниров и плеч, с использованием определенного навесного оборудования: сварочного аппарата на конце манипулятора для сварочных работ, пульверизатора или системы пульверизаторов для покрасочных работ, захватывающие клешни или похожие механизмы для перемещения объектов и т.д.

Существует несколько типов роботов, отличающихся друг от друга конструкцией, в зависимости от выполняемых задач, основным критерием отношения к конкретному типу являются кинематические схемы их исполнения и функционал [1].

В основном, для реализации систем с использование манипуляторов выделяют две основных кинематические схемы:

Декартова система координат. Данная система, изображенная на рисунке 1, реализует движение рабочего органа системы поступательно вдоль осей, на которых построена система перемещения. Такие роботы просты в эксплуатации и программировании, в основном используются для размещения элементов на горизонтальной, либо на вертикальной плоскости, а также отличаются высокой точностью.

Рисунок 1 - Декартова система координат манипулятора

Сферическая система координат. Роботизированные системы, использующие такую кинематическую схему универсальны, более сложны в производстве, но имеют возможность работать в пространстве в виде сферы, тем самым способны выполнять работы с более сложными по форме изделиями, чем роботы, использующие декартову систему. На рисунке 2 изображен типовой сферический манипулятор.

Рисунок 2 - Сферическая система координат манипулятора

Также, существует наиболее универсальная, но сложная система координат - ангулярная или угловая, а также цилиндрическая, но их применение ограничено ввиду сложности конструкции, обслуживания и стоимости. В некоторых случаях, при производстве автоматизированных манипуляторов, прибегают к использованию сразу нескольких систем координат для решения многофункциональных задач, используя одну рабочую единицу техники.

1.2 Классификация промышленных роботов

В настоящий момент на производствах применяется широкий спектр роботизированных автоматизированных систем, в том числе манипуляторов, имеющих различные конструкторские решения. Перейдем к рассмотрению классификации и типов манипуляторов [2].

По конструктивным особенностям, манипуляторы подразделяются по:

· типу привода (гидравлический, пневматический, электрический);

· грузоподъемности (менее 1 килограмма - сверхлегкие, до 10 килограмм - легкие, до 1000 килограмм - тяжелые, более 1000 килограмм - сверхтяжелые);

· мобильности (стационарный или подвижный);

· применяемой системе координат (декартову или прямоугольную, цилиндрическую, сферическую, ангулярную или угловую);

По способу управления и заданию алгоритма работы:

· программный (алгоритм работы полностью задается машинным кодом);

· адаптивный (система запоминает движения оператора и повторяет их при дальнейшей работе);

· интеллектуальный (система работает на основании показателей с датчиков, устанавливаемых на границах объектов, с которыми работает система или датчиков, установленных на самом манипуляторе);

По универсальности применения, роботизированные автоматические системы бывают:

· полностью универсальные (имеют возможность перепрограммирования, смены рабочего органа для решения различных неоднотипных задач, применяемые на различных предприятиях в различных отраслях промышленности);

· специализированные (задачей такой системы является однотипная операция, применяющаяся в сварочных или покрасочных работах);

· узкоспециализированные (выполняющие однотипную монотонную низкоподвижную работу).

Исходя из поставленных задач роботы бывают:

· подвесные;

· напольные;

· встраиваемые.

Несмотря на отличия, типы и особенности исполнения автоматизированных систем, они имеют схожую структурную схему и принцип построения. Рассмотрим роботизированные комплексы окрашивания, их строение и характеристики выполняемых работ на примере антропоморфного робота для окраски CMA GR-530 итальянского производства.

Манипулятор робота изготовлен из легкосплавной конструкции, движущийся по пяти осям и имеющий пневматическую балансировку, что обеспечивает высокую гибкость, скорость вращения и движения всех составных частей. Робот способен достать до любой точки окрашиваемого изделия благодаря особым системам сочленений робота, позволяющим вращаться каждой оси на 360 градусов. Система робота также оснащена каруселью для погрузки изделий, но это является дополнительным оборудованием, не влияющим на основной функционал.

Данный робот CMA GR-530 G, изображенный на рисунке 3, предназначен для выполнения покрасочных работ различными методами нанесения лакокрасочных материалов (электростатический, пневматический и т.д.) сложных деревянных, металлических и пластмассовых изделий.

Рисунок 3 - Робот CMA GR-530 G.

Управление роботом может осуществляться двумя ключевыми способами - программному и адаптивному, когда оператор, двигая своей рукой манипулятор, задает определенную последовательность движений, программа самообучения записывает данные движений, и после воспроизводит их с большей или меньшей скоростью, в зависимости от задачи. Также, сохраненные программы после самообучения могут редактироваться методом «блочного программирования». Максимальное количество записанных программ - 9999, хранение и управление которыми осуществляется с встроенного компьютера, программы записываются на флеш-накопитель и выбираются на компьютере с помощью быстрого поиска с клавиатуры или джойстика. Технические характеристики антропоморфной системы окрашивания CMA GR-530 G представлены в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики CMA GR-530 G

Количество осей, шт.

5

Вспомогательные оси, шт.

3

Макс. нагрузка на запястный шарнир, кг

3

Тип моторов

Сервомоторы DC

Позиционирование осей

энкодеры с обратной связью

Изменение скорости выполнения программы

1 - 200%

Кол-во суппортов карусели, шт.

3

Рабочая температура, град. С

от 0 до +40

Относительная влажность

75% без конденсата

Сжатый воздух, бар

7

Расход сжатого воздуха, л/мин.

20 (исполнение ATEX - 220 л/мин)

Метод программирования

самообучение

Радиус карусели, мм

1620

Вес, кг

750

1.3 Режимы работы промышленных манипуляторов

Манипуляторы управляются специальным программным обеспечением, которое разрабатывается на основе предопределенных вычислений (аналитическое программирование) или путем обучения (запоминание команд оператора). Во время программирования значения могут быть определены как конечная точка траектории движения исполнительного элемента и весь путь движения. Существует еще один способ программирования - использование элементов искусственного интеллекта в качестве конечной цели робота, и машине необходимо разработать свой собственный метод ее достижения (траектория движения). Программа может быть записана на носитель данных, перфорированную ленту или перфокарту и на оптические диски. Роботы запрограммированы жестко, гибкоадаптируемые и перепрограммируются. Так же существуют перепрограммируемые и жестко программируемые роботизированные манипуляторы, которые не подлежат последующему перепрограммированию (автооператор). Жесткое программирование включает в себя реализацию монотонной роботизированной последовательности, встроенной в команды памяти. Считается, что окружающая среда является детерминированной (изменения, предсказуемые во времени), постоянными и единообразными (не изменяются или изменения заранее известны и задаются). Такие условия, например, относятся к массе, серийному производству или ряду аналогичных продуктов. Последовательность выполнения команд является постоянной или изменяется в предопределенную функцию. В некоторых случаях функция зависит от значений внешней или внутренней управляемой среды робота, что предполагает наличие различных датчиков. Адаптивный программный робот представляет собой набор из нескольких программ, один из которых является основным (аналогичная программа программируемых жестких роботов), а остальная часть - второстепенная, которая управляет бортовым компьютером в случае изменения внешней среды. В этом случае в дополнение к основным командам содержания программ для непосредственного управления исполнительным механизмом содержится процедура подключения вспомогательных программ или подпрограмм, когда устройство сталкивается с трудностями. Предполагается, что среда меняется со временем, но количество таких изменений ограничено и предсказуемо заранее. Любые возможные изменения в заранее рассчитанном алгоритме для преодоления трудностей. Для получения информации об изменениях в окружающей среде используется набор датчиков, включая видео приложение. Поэтому, эти механизмы часто называются «глаз-рука». Постоянно исполняемые инструкции могут реагировать независимо при необходимости в различных условиях окружающей среды. Гибкопрограммируемые промышленные роботы наиболее независимы, но также и более сложны. Их программное обеспечение предоставляет математическую модель внешнего мира, а также систему для анализа поступающей информации (с датчиками давления, видеокамерой, звуковыми датчиками и т. д.). Программа должна самостоятельно принимать свои собственные решения, человек лишь задает конечную цель. На ранних этапах с помощью оператора, в случае систем самообучения. Программируемые машины для гибкого «искусственного интеллекта», классические типы роботов относятся к первому, второму и третьему поколению соответственно. В случае биотехнических систем (управляемых манипуляторами) программное обеспечение представляет собой аналоговый или цифровой диспетчер сигналов из блока управления и преобразует их в команды, которые понятны для исполнительного механизма. Какой бы тип робота (биотехнологический или автоматический) человеческий диалог между ними неизбежен. Это может происходить на объектно-ориентированном языке, в виде текстовых сообщений и даже команд, не говоря уже о кнопке и рычажном управлении. Программа предоставляется в виде числового кода (числовое управление, ЧПУ), аналоговых сигналов (АПУ), комбинированного или серии последовательных операций. Современные роботы почти всегда изготавливаются с ЧПУ. Современные манипуляторы с ЦПУ, как правило, рассчитан на объем транзакций 10-50 операций. ЦПУ разумно применяемый в условиях, когда робот совершает ограниченное число движений с небольшим количеством позиционирующих точек, а операция занимает короткое время (роботы первого типа). Если количество возможных движений, точек позиционирования значительно, а операция требует относительно долгого времени, то используют позиционный контроль (второй тип). Наконец, при движении по заданному маршруту с заданной скоростью, используя программный контур управления (третий тип). Программное обеспечение управления контролирует позиционное позиционирование рабочего тела, не следуя его траектории. Контурное управление - контроль движения без эффективного контроля готовой продукции. Механизмы адаптации существуют только с контуром и положением управления. В большинстве случаев система управления физически удаляется из механической системы промышленного робота (манипулятора, крана). Это делается для постепенной модернизации возможностей оборудования, а также для управления манипулятором или для исправления его поведения с помощью удаленной консоли при участии в неблагоприятных для человека условиях [3].

1.4 Постановка задачи на проектирование мобильной автоматизированной системы окрашивания

Модель первой версии мобильной автоматизированной системы окрашивания МАСО-1 должна обладать следующими параметрами и характеристиками:

· система должна обеспечивать окрашивание в декартовой системе координат в одной плоскости размером 2800Ч2800 мм2;

· масса не должна превышать 500 кг для обеспечения мобильности;

· размеры конструкции не должны превышать 4000Ч4000Ч4000 мм3;

· механизм системы должен обеспечивать скорость окрашивания системы не менее 0,1 м/с;

· точность окрашивания должна варьироваться в пределах от -10 мм до +10 мм;

· ареола окрашивания должна составлять не менее 100 мм по ширине;

· система управления должна быть проста в эксплуатации и программировании задания на окрашивание;

· интерфейс системы управления должен быть простым и понятным.

2. Разработка конструкции мобильной автоматизированной системы окрашивания

2.1 Разработка конструкции

Исходя из требований к проектируемой системе окрашивания - окрашивание предметов в одной плоскости размером 2800Ч2800 мм2, мобильность конструкции - конструкция МАСО-1 не должна быть громоздкой, состоять из небольшого количества элементов составных частей, проста в сборке и иметь массу менее 500 кг для удобства транспортировки, двигатели (сервоприводы) должны обеспечивать скорость передвижения пульверизаторов со скоростью не менее 0,1 м/с. Таким образом, было принято решение создать перекрестие из трех рельсовых алюминиевых профилей (для облегчения массы), стоящих на опоре, которая уменьшает парусность всей конструкции, внутри профилей разместить червячный вал, вращающийся с помощью сервоприводов, по которым будут перемещаться челноки с внутренним резьбовым соединением под червячный вал для закрепления одного из профилей и системы пульверизаторов. Данная конструкция, спроектированная при помощи САПР SolidWorks 2013 изображена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Конструкция мобильной автоматизированной системы окрашивания МАСО-1, спроектированная при помощи САПР SolidWorks

Червячный вал спроектирован из конструкционной легированной стали марки AISI 4340 (ближайший отечественный аналог 40ХН2МА) и имеет массу, рассчитанную в SolidWorks - 38,92 кг. Винтовая передача с большим шагом резьбы в паре с челноком обеспечивает большее перемещение челнока (гайки), зацепляющейся за рельсы на алюминиевом профиле [4]. Такое решение было выбрано исходя из простоты конструкции, минимального количества деталей данной передачи, а также относительной надежности перед шарико-винтовой передачей, использующейся в основном в ЧПУ, червячной передачи, использующейся в редукторах и так далее.

Червячный вал имеет следующие параметры:

Длина: 3000 мм;

Диаметр (внешний диаметр резьбы): 50 мм;

Тип резьбы: трапецеидальная;

Внутренний диаметр резьбы: 25 мм;

Шаг резьбы: 50 мм;

Высота рабочего профиля резьбы: 12,5 мм.

Челнок изготовлен и спроектирован из алюминия 6063-Т6 (ближайший отечественный аналог AD31) для облегчения массы конструкции, надетый на гайку из стали марки AISI 4340, имеющую параметры резьбы, специально подобранные под червячный вал, а также параметры, подобранные под пазы рельс на профиле, имеет массу 6,34 кг. Область рабочей поверхности для крепления профиля и модулей с краскопультами имеет размеры 200Ч200 мм.

Материал алюминиевого профиля, по которому движется челнок, был выбран тот же, что и при проектировании челнока, для сохранения жесткости конструкции и уменьшения общей массы. Общая толщина профиля 10 мм, за исключением ребер жесткости, где толщина немного больше, расположенных по всей длине по углам профиля, а также рельс. Длина составляет 3020 мм, что позволяет оставить рабочий ход челнока в приделах от 0 мм до 3000 мм, ширина 200 мм точно совпадает с шириной челноков, на которых крепится один из профилей, а высота 120 мм, это позволяет расположить внутри профиля червячный вал, вал, выходящий из двигателя и подшипник. В дальнейшем планируется спроектировать профиль таким образом, чтобы при производстве он состоял из нескольких частей для его унификации при использовании системы окрашивании на более крупных или мелких объектах работ. Масса профиля составляет 47,71 кг.

Передача вращательного движения осуществляется сервоприводами TC 100 8 15, расположенными на верхних частях профилей, общая масса каждого сервопривода равняется 7,3 кг [5]. Сервоприводы для модели SolidWorks были спроектированы с полной точностью размеров, исходя из паспортных данных на сервопривод.

Червячный вал, закрепленный на валу сервопривода, удерживается при помощи подшипника, расположенного с противоположенной от двигателя стороны на профиле, имеющий радиус 70 мм и толщину 10 мм.

Часть конструкции в сборе с профилем, червячным валом, двигателем, челноком и подшипником крепится за профиль крайними сторонами профиля к челнокам, закрепленных на перпендикулярно расположенных двух других профилях. Схема крепления данных элементов представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схема крепления перпендикулярно расположенного профиля, челнока и червячного вала

Вся конструкция в сборе крепится к опоре, повышающей устойчивость и изготовленной из алюминиевого сплава, общий вес которой составляет порядка 150 кг, при условии изготовления из трубчатых материалов.

Общая масса конструкции после проектирования без учета опоры составила 278,15 кг, с учетом опоры - порядка 430 кг, что полностью удовлетворяет условиям, предъявляемых к проектированию системы.

Иллюстрацию отдельно изображенных составных частей конструкции за исключением подшипника и опоры можно увидеть на рисунке 6.

Рисунок 6 - Верхний ряд слева направо - челнок, червячный вал

Нижний ряд слева направо - профиль, сервопривод

2.2 Обоснование выбора электронных составляющих элементов системы

Полученные данные при проектировании конструкции мобильной автоматизированной системы окрашивания МАСО-1 позволяют выбрать комплектующие, подходящие по массогабаритным параметрам, подъемной силе, скорости вращения и перемещения. Исходя из результатов расчета в SolidWorks, получились следующие значения: для движения челнока, к которому крепится система из пульверизаторов, по червячному валу необходимо подобрать вращательный двигатель (сервопривод), способный крутить массу в 45,22 кг, а для движения профиля, который крепится на два других челнока необходимо подобрать двигатель, способный поднять 92,93 кг. Но, т.к. во втором случае в конструкции установлены два одинаковых профиля, то мы имеем возможность установить два двигателя, по одному на каждый червячный вал, выставить челноки на одинаковом расстоянии от верхних кромок профилей, чтобы размещенный на них профиль был перпендикулярен двум другим. Синхронизировав два этих двигателя между собой и программно задав им одинаковую скорость вращения можно добиться перераспределения крутящего момента между этими двигателями и выбирать их так, чтобы каждый из них мог поднять массу в 46,47 кг. Исходя из этого и взяв небольшой запас, можно сказать, что необходимо взять двигатель, у которого номинальный крутящий момент будет не менее 5 Н•м.

Основываясь на моменте, массогабаритных параметрах и унификации системы, для каждого червячного вала были выбраны одинаковые цифровые сервоприводы компании Motor Power Company модели Tetra Compact TC 100 8 15 [5].

Данный сервопривод обладает следующими техническими характеристиками:

Пусковой крутящий момент - 8 Н•м;

Максимальный крутящий момент - 33 Н•м;

Номинальный крутящий момент - 5 Н•м;

Номинальное напряжение - 400 В;

Номинальная выходная мощность - 1750 Вт;

Номинальная скорость вращения - 3000 об/мин;

Точность выставления - 0,2°;

Максимальная скорость вращения - 5000 об/мин;

Момент инерции - 0,8 кг•см2;

Масса сервопривода - 7,3 кг;

Размеры сервопривода: - 100Ч100Ч205 мм.

Ниже, на рисунке 7 приведен график зависимости кутящего момента (Н•м) от скорости вращения (об/мин) сервопривода Tetra Compact TC 100 8 15.

Рисунок 7 - График зависимости кутящего момента от скорости вращения сервопривода TC 100 8 15

Линейная скорость движения челнока (пульверизаторов, закрепленных на челноке) должна быть не менее 0,1 м/с. Исходя из характеристик сервопривода TC 100 8 15, номинальная скорость вращения которого составляет 3000 об/мин, шаг резьбы равен одному обороту червячного вала, движущегося с одной скоростью выходного вала сервопривода равен 50 мм. Таким образом, номинальная линейная скорость системы, состоящей из резьбовой передачи червячного вала с челноком и сервоприводом, составит 150000 мм/мин или 2,5 м/с, что в 25 раз больше минимально допустимой скорости. Следовательно, учитывая, что данный сервопривод управляется контроллером, то, исходя из условий окрашивания, можно будет программно управлять скоростью вращения выходного вала двигателя (линейной скоростью перемещения челнока с пульверизаторами) [6].

Взяв во внимание, что сервопривод TC 100 8 15 не может управляться без помощи драйвера сервопривода и контроллера, следует выбрать их из условия корректной работы всех узлов системы и их совместимости.

В решении данного вопроса, выбор пал на контроллер Basic PRO 5A G2-(1X 2X) той же компании Motor Power Company, которая производит необходимые в системе сервоприводы. Данные контроллеры оптимизированы для работы с бесщеточными сервомоторами TETRA COMPACT и способны работать с прямым приводом линейного и крутящих моментов. Контроллеры объединяют в себе протоколы связи Modbus и CANopen и управляют TTL-кодером, преобразователем и абсолютным многооборотным кодером. Basic PRO 5A G2-(1X 2X), представленный на рисунке 8, позволяет одновременно обслуживать сразу до двух сервоприводов, что позволяет сократить количеств используемых контроллеров. робот мобильный интерактивный интерфейс

Рисунок 8 - Контроллер Basic PRO 5A G2-(1X 2X)

Basic Pro является мощным контроллером со встроенным драйвером сервопривода, который работает с цифровой информацией, скоростью, координатами, в сочетании с синхронными бесщеточными двигателями и сервоприводами с постоянными магнитами. Он имеет гибкую синусоидальную систему с векторным контролем, может работать как автономное устройство или как часть многоосевой сети в распределенной конфигурации. Контроллер настраивается с использованием программного обеспечения Motor Power Company Basic PRO GU. Это приложение на базе Windows позволяет быстро и просто запрограммировать сервопривод под необходимые задачи, но также имеет разъем RS 232, шину CANOPEN 301 и 402, MODBUS, что позволяет его программировать любым другим способам с использованием данных каналов связи, например, таким как программный комплекс LabVIEW от компании National Instruments. Блок схема управления контроллером Basic Pro изображена на рисунке 9, а схема подключения двигателя TC 100 8 15 к контроллеру на рисунке 10, где U, V, W - фазы двигателя, PE - заземление, а М - сервопривод.

Рисунок 9 - Блок-схема управления контроллером Basic PRO 5A G2-(1X 2X)

Рисунок 10 - Схема подключения двигателя TC 100 8 15 к контроллеру

2.3 Обоснование выбора составляющих элементов системы окрашивания

Исходя из требований к систем окрашивания МАСО-1, необходимо выбрать пульверизаторы таким образом, чтобы обеспечивалась область окрашивания в 100 мм2, необходимо выбрать профессиональные краскопульты, устанавливаемые на роботы-манипуляторы, а также систему подачи сжатого воздуха. Наиболее оптимальным способом нанесения лакокрасочных материалов является электростатическое нанесение.

При нанесении ЛКМ электростатическим способом частицам краски, наносимой пульверизатором придается отрицательный заряда, вследствие чего они притягиваются и осаждаются на положительно заряженное изделие. Этот метод хорош для отделки изделий сложной формы, решетчатых конструкций, например стульев.

Производительность такого способа нанесения ЛКМ крайне высока, при минимальных потерях. При использовании стационарных установок процесс почти полностью автоматизирован. Санитарно-гигиенические условия труда хорошие.

К недостаткам данного способа относится ограниченный ассортимент применяемых ЛКМ, не всегда равномерное их нанесение на все поверх-ности отделываемого изделия, сложность и высокая стоимость аппаратуры и обслуживания.

Распыление ЛКМ при электроокраске возможно пневматическим, гидравлическим, центробежным и электростатическим способами. Последний способ осуществляется в постоянном электрическом поле высокого напряжения (50 -140 кВ), а изделие при этом заземляют. При электроокраске происходят следующие электрофизические процессы: зарядка ЛКМ, его распыление, образование факела, движение капель жидкости к изделию, осаждение их на изделии.

Для реализации данного проекта, с целью унификации и простоты конструкции, было принято решение использовать готовую конструкцию компании RANSBURG Ransburg No.2 для нанесения лакокрасочных материалов с помощью центробежных сил и сил электрического поля.

Принцип работы данной установки схож с «турбодиском». На вращающийся диск поступает лакокрасочный материал, стекая на край диска с помощью центробежной силы, разбрызгиваясь маленькими аэрозольными частицами. Непосредственно на диске происходит заряд краски через скользящий контакт. Окрасочный факел формируется под действием электромагнитных сил, и краска притягиваются к заземлённому металлическому изделию, обеспечивая равномерный слой и высокое качество окраски.

Оборудование идеально предназначено для окраски изделий сложной формы: заборных секций, ворот, решеток, профилей, кованых изделий и т.п. Коэффициент переноса материала на этой установке достигает значения 98%.

Система краскораспыления Ransburg No.2 имет следующие технические характеристики:

· масса - 1,250 кг;

· длина пульверизатора - 500 мм;

· максимальный расход воздуха - 150 л/мин

· давление воздуха на входе краскопульта - 2,1 бар;

· расход лакокрасочных материалов при диаметре распыляющей чаши 69 мм - 75 см3/мин / 0,46-0,65 м2/мин, 101 мм - 120 см3/мин / 0,93-1,11 м2/мин, 152 мм 180 см3/мин /1,39-1,67 м2/мин.

В комплект системы распыления лакокрасочных материалов Ransburg No.2, представленной на рисунке 11 входит:

· краскораспылитель ручной электростатический Nо.2 с чашей 101 мм;

· контроллер высокого напряжения 9060 Classic;

· красконагнетательный бак объемом 10 л;

· кабель высокого напряжения длиной 7,5 м;

· шланги для материала и воздуха длиной по 7,5 м;

· передвижная тележка;

· фильтр-регулятор воздуха DVFR-4.

Установка в данной комплектации полностью готова к работе после подключения сжатого воздуха и электропитания 220В.

Рисунок 11 - Система распыления лакокрасочных материалов Ransburg No.2

3. Разработка системы управления

3.1 Реализация системы управления с помощью программного комплекса LabVIEW

При создании системы управления мобильной автоматизированной системы окрашивания, большое внимании уделялось следующим значительным аспектам:

1) Система управления должна была иметь простой и понятный интерфейс;

2) Выбор интерфейса и программного обеспечения должен был быть совместим с программируемыми контролерами и сервоприводами.

Исходя из того, что контроллеры Basic PRO 5A G2-(1X 2X) имеют разъем RS 232, а также вывод под CAN шину, то наиболее оптимальным способом создания системы управления стала программная среда с визуальным языком программирования LabVIEW с использованием персонального компьютера с операционной системой Windows. Несмотря на наличие специализированного программного обеспечения для контроллеров, программная среда LabVIEW была выбрана из расчета удешевления стоимости конструкции, а также наличием данного программного комплекса на ЭВМ в МИЭМ НИУ ВШЭ.

Проект системы управления включает в себя интерактивную модель конструкции МАСО-1, спроектированную с помощью САПР SolidWork. Для решения задачи связи SolidWorks и LabVIEW необходимо было установить на персональный компьютер определенные вспомогательные программы (модули и наборы инструментов). Так, LabVIEW не может работать в связке с SolidWorks без установки и подключения следующих модулей:

· Real-Time Module - модуль, отвечающий за взаимодействие реального техническго оборудования и программного комплекса LabVIEW (без использования данноо модуля система не сможет функционировать);

· Simulation Module - c помощью данного модуля LabVIEW можно имитировать динамические системы, разрабатывать сложные контроллеры и развертывать свои системы управления в режиме реального времени;

· NI SoftMotion Module - модуль, обеспечивающий графическую разработку для пользовательских приложений управления движением. С помощью LabVIEW NI SoftMotion можно использовать проект LabVIEW для настройки всех параметров осей движения, проверки конфигурации, настройки двигателей и быстрой интеграции пользовательского управления движением в приложение, позволяет интегрировать модели SolidWorks в проект LabVIEW;

· Interface Toolkit - инструментарий NI LabVIEW, который помогает интегрировать спроектированные модели и алгоритмы управления из различных программных сред в LabVIEW и в модуль Real-Time LabVIEW. Он использует структуру модели NI VeriStand, поэтому библиотека имитационных моделей будет продолжать расти. Помимо импорта имитационных моделей сторонних производителей, он позволяет использовать LabVIEW Control Design and Simulation Module для разработки и моделирования алгоритмов управления [7].

С другой стороны, программный комплекс SolidWorks не сможет связаться в LabVIEW без подключения следующих модулей:

· Simulation - это модуль интегрированный SolidWorks, способный проводить анализ конструкции по напряжению, устойчивости, оптимизации и т.д.;

· Motion - визуальный модуль, производящий анализ движения и точности моделирования движущихся частей сборки, анализируя сопряжения и привязи в модели.

Перед началом интеграции сборки конструкции мобильной автоматизированной системы окрашивания из SolidWorks в LabVIEW, были произведены исследования движения в SolidWorks, смоделировав на месте выходного вала двигателя вращательный двигатель и задав ему определенные свойства перемещения на расстояние в градусах, а также время, за которое он должен повернуться на данное значение (в нашем случае было установлено 20160 градусов, что равняется 2800 мм хода челнока по червячному валу за 30 секунд). Данные числа не имеют никакого отношения к программированию и никак не повлияют на работу контроллеров с сервоприводами, они только позволяют произвести анализ движения составных частей конструкции.

Установив в исследовании движении сборки вращательные двигатели на местах выходных валов двигателей, получилась рабочая сборка и анимированное представление движения челноков по вращающемуся червяному валу по всей длине хода вала, окно исследования движения представлено на рисунке 12.

Рисунок 12 - Исследование движения конструкции мобильной амтоматизированной системы окрашивания МАСО-1

Также, особенностью исследования движения являлась точность и правильность установки сопряжений и взаимосвязей составных частей конструкции мобильной автоматизированной системы окрашивания МАСО-1 в SolidWorks. Так, при моделировании сборки конструкции (все детали проектировались отдельно - двигатель, вал двигателя, профиль, червячный вал, челнок, подшипник, опора), важной задачей было закрепить неподвижные детали между собой. То есть, к опоре, по сопряжению в плоскостях были заблокированы профили, сверху на профилях были заблокированы двигатели. Двигатель с валом двигателя был сопряжен концентрично и выровнен по внутренней выемке плоскости двигателя и внутренней поверхности вала двигателя, установка сопряжений таким образом, позволяет вращаться валу двигателя по часовой или провой часовой стрелки относительно своего цента и центра двигателя. Подобным образом, но с условием блокировки был установлен червячный вал к валу двигателя, фиксируя его в одном положении на валу двигателя и вращая его вместе с ним, также был установлен подшипник и выровнен по нижней плоскости профиля. Челнок на червячном валу был сопряжен с помощью винтового соединения с шагом в 50 мм и ходом 3000 мм, что в точности совпадает с реальными физическими параметрами червячного вала, а также был выровнен по внешней части профиля, чтобы он перемещался только по рельсам в модели. Остальные сопряжения элементов в точности повторяют данную модель, за исключением закрепления профиля на челноках при помощи блокировки и выравниванию по всем плоскостям для точного совпадения граней [8].

Только после установки всех модулей и правильно работающей сборки в SolidWorks бала начата работа с LabVIEW. Правильная работа двух этих программ, помимо всего описанного, во многом зависила от правильной настройки LabVIEW и подключенных к ней модулей.

Так, для начала был создан новый проект в LabVIEW, к нему был подключен проект из SolidWorks для импортирования двигателей, имея те же название. В дальнейшем были задатны оси для каждого двигателя в NI SoftMotion Axis и связаны с осями, которые находятся в проекте LabVIEW. Здесь же, при необходимости, можно было добавить координатную плоскость, чтобы управлять сразу несколькими осями.

Далее был настроен проект в функции Properties, чтобы написать дополнительные данные по проекту, то же нужно было проделать во вкладке Scan Engine в My Computer для запуска сканирующего двигателя при компиляции. Задача этого двигателя состоит в том, чтобы опрашивать все время оборудование во время работы на предмет ошибки.

Для работы LabVIEW без ошибок шага расчета необходимо также настроить модель, импортированную из SolidWorks, изменив шаг расчета на 0,0001.

Следующим шагом являлась настройка осей (Axis) для схемы управления движением LabVIEW в SolidWorks, представленной на рисунке 13.

Рисунок 13 - Схема управления движением в SolidWorks

В этой схеме необходимо было включить привод при переходе в активный режим, который включает двигатель при взаимодействии с ним, если этого не сделать, то при передаче данных из LabVIEW в SolidWorks ничего бы не стало работать.

После проделанных манипуляций по настройке LabVIEW, получился готовый проект с подключенной сборкой SolidWorks с готовыми для нее аналогами осей, которые используются в создании интерфейса и системы управления.

При создании системы управления необходимо было добавить VI проект в уже существующий, в одном окне которого пишется программный код с помощью визуального языка программирования G для LabVIEW с добавлением компонентов, диаграмм и объектов, связанных между собой, на панель, а в другом окне добавляются элементы системы реального управления двигателями.

Первым делом была добавлена структура Programming - Structure - While Loop - структура цикла, которая всегда опрашивает оборудование, т.е. все, что находится внутри данной структуры, будет всегда опрашиваться данным циклом. Для реализации опрашивания всегда, внизу, к элементу Loop Condition необходимо было подключить элемент False Constant, таким образом, цикл опроса будет происходить бесконечно.

Был добавлен инструмент для работы с двигателем. По умолчанию SoftMotion Module позволяет добавить вращающийся двигатель, со сложным движением и линейные двигатели.

Так как в системе будет передаваться определенное число (число градусов будет линейным), для моделирования системы управления в LabVIEW добавлен линейный двигатель для корректной работы всех программ и модулей, изображенный на рисунке 14.

Внутри области While Loop был помещен элемент Vision and Motion - NI SoftMotion Module - Function Blocks - Line, таким образом, добавился двигатель. После добавления данного модуля, его необходимо было отредактировать, так как в этот объект добавлены поля, ненужные для использования в этой задаче (не задается скорость, ускорение, увеличение/уменьшение ускорения, переменные для коэффициента ускорения/замедления).

Если в системе происходит ошибка, то она ничего не будет выводить, а будет работать в цикле. Если будет происходить выход ошибки, она будет передаваться на вход и зацикливаться, поэтому, на диаграмме свойство error out было соединено с границей While Loop и задано свойство Replace with a Shift Register, таким образом, соединив error in с другой стороны двигателя с границей While Loop, получился замкнутый цикл, постоянно опрашивающий двигатель. После проделанной процедуры, в окне проекта LabVIEW появляется контроллер Controller с внутренним драйвером Straight Line Move для данного двигателя [9]. Таким образом, получается сообщение, обрабатывающее ошибки на входе и выходе, игнорируемое циклом.

Рисунок 14 - Линейный двигатель Line LabVIEW

Свойство done на диаграмме двигателя означает завершение операции и чтобы видеть его выходной сигнал, был добавлен индикатор, изображенный а рисунке 15, который будет загораться при выполнении.

Рисунок 15 - Свойство done на диаграмме двигателя

При этом, в поле добавления элементов системы реального управления двигателями автоматически создается индикатор done зеленого цвета, который на пульте управления будет сообщать о том, что конкретно данный двигатель закончил выполнение операции.

На выполнение execute добавлен контроллер (простыми словами - кнопка), который будет активировать или выключать данный двигатель. При добавлении данного элемента, он также, как индикатор done, добавляется в поле добавления элементов системы реального управления двигателями (рисунок 16).

Рисунок 16 - Контроллер execute на диаграмме двигателя

В свойство позиции position также был создан контроллер, автоматически генерирующийся в области управления для задачи позиции смещения двигателя.

К данному этапу создания системы был готов объект, который обрабатывает данные, может принимать данные позиции, принимать сигнал о выполнении операции и сигнализировать об успешном выполнении.

Следующим этапом являлось добавление функции resource, отправляющей данные и связывающей выполнение execute со значением позиции position и индикатором выполнения операции done. Это можно было реализовано выбором в проекте LabVIEW Project Explorer оси Axis 1, соответствующей данному конкретному двигателю, и перенесением в поле While Loop, соединив с resourse (рисунок 17).

Рисунок 17 - Функция resource на диаграмме двигателя с выбором оси

Далее, данная операция проделывалась таким же образом в той же зоне While Loop для каждого последующего двигателя с изменением оси Axis, для каждого двигателя.

Выбрав все элементы в проекте LabVIEW Project Explorer, за исключением Controller.vi, Dependencies и Build Specifications, и применив функцию Deploy, настроился SolidWorks, оси и компьютер. После всех проведенных операций, данные сигналов из LabVIEW импортировались в SolidWorks. На рисунке 18 представлена итоговая блок-диаграмма для управления всеми сервоприводами с контроллерами системы, подразумевающая под собой графический язык программирования, а на рисунке 19 представлен полностью настроенный и рабочий проект LabVIEW Project Explorer, с добавленной сборкой из SolidWorks, осями для движения двигателей, контроллером для управления драйверами управления сервоприводами.

Рисунок 18 - Блок-диаграмма управления сервоприводами и контроллерами системы

Рисунок 19 - Настроенный и рабочий проект LabVIEW Project Explorer

После нажатия кнопки Run на пульте управления, можно пустить на выполнение систему управления и, задавая определенное количество градусов поворота каждого двигателя, с помощью LabVIEW управляется сборка в SolidWorks, что изображено на рисунке 20.

На данный момент, так как данная система мобильного автоматизированного окрашивания находится только в проекте, поэтому на данный момент двигается только сборка SolidWorks. В дальнейшем, при создании данной системы, будет создана двойная взаимосвязь программного комплекса LabVIEW и системы автоматизированного проектирования SolidWorks: LabVIEW будет брать значения параметров ширины и высоты окрашиваемой детали из SolidWorks и передавать эти значения на реальные двигатели системы, таким образом, получится полностью автоматизированная система с минимальным участием человека-оператора, имеющая простой и понятный интерфейс [10].

Рис. Х. Управление системой с помощью программного комплекса LabVIEW

Заключение

В ходе выполнения выпускной квалификационной работы, были изучены принципы работы автоматизированных систем окрашивания, их модели построения, была спроектирована собственная конструкция мобильной автоматизированной системы окрашивания с помощью системы автоматизированного проектирования SolidWorks. В SolidWorks были произведены расчеты массы конструкции, подобраны электрические составные части системы, исходя из задач на проектирование системы. Был смоделирован и произведен анализ движения конструкции с помощью взаимосвязи программного комплекса LabVIEW и SolidWorks, настроена их совместная работа по передачи и обмену информацией. Разработана схема и система управления данной системой окрашивания с помощью графического языка программирования G в программной среде LabVIEW, позволяющая управлять сборкой в SolidWorks с помощью задания параметров внутри виртуального пульта управления VI LabVIEW.

Разработанная система окрашивания, система управления и составные элементы полностью удовлетворяют постановке задачи на проектирование мобильной автоматизированной системе окрашивания МАСО-1, как со стороны механических компонентов, так и со стороны электрических составляющих с системой управления.

Список использованных источников

1. Зенкевич С. Л., Ющенко А. С. Основы управления манипуляционными роботами. 2-е изд. -- М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. -- 480 с.

2. Грачев Л.Н., Косовский В.Л. Конструкция и наладка станков с программным управлением и роботизированных комплексов. М: Выш. шк. 1986.286 с.

3. Власов А.И., Сулимов Ю.И. Электронные промышленные устройства: Учебное методическое пособие. - Томск: Томский межвузовский центр дис- танционного образования, 2003. - 71 с.

4. ГОСТ 9484-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Резьба трапецеидальная. Профили. Введ. - 30.04.81М.: ИПК Издательство стандартов, 2003, 6 с.

5. Шахворостов, С.А.Технические средства автоматизации: учеб. пособие/ С.А. Шахворостов. - М.: МАДИ, 2011. - 109 с.

6. Алямовский, А.А. SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике / А.А. Алямовский. - М.: СПб: БХВ-Петербург, 2008. - 1040 c.

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

8. Пейч Л.И., Точилин Д.А., Поллак Б.П., LabVIEW для новичков и специалистов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 384с.: ил.

9. Бутырин П.А., Васьковская Т.А., Каратаев В.В., Материкин С.В. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе LabVIEW 7/ Под ред. Бутырина П.А. - М.: ДМК-Пресс, 2005. - 264 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.