Манипулятор с электромагнитным щупом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект

по дисциплине "Проектирование автоматических систем"

Манипулятор с электромагнитным щупом

СОДЕРЖАНИЕ

1. Описание объекта управления

2. Расчеты и принцип выбора элементной базы

2.1 Микроконтроллер, схема сброса, кварц

2.2 Интерфейс RS-232

2.3 Клавиатура

2.4 LCD-дисплей

2.5 Кнопки «Пуск», «Стоп»

2.6 Подключение концевых датчиков

2.7 Подключение шаговых двигателей

2.8 Управление электромагнитным щупом

2.9 Схема питания

1. Описание объекта управления

Объектом управления является манипулятор с прямоугольной системой координат и электромагнитным щупом (рисунок 1).

Рисунок 1 - Манипулятор

Манипуляторы применяются как механизмы, выполняющие под управлением оператора действия (манипуляции), аналогичные действиям руки человека. Применяются при работе в опасных или трудных условиях (например в горном деле или на АЭС). Автоматические манипуляторы (в том числе с программным управлением) называются роботы. Могут быть использованы при автоматизации различного рода технологических процессов, например, в качестве устройств подачи.

Проектируемый манипулятор должен обладать следующими характеристиками:

- Прямоугольная система координат манипулятора, образована тремя взаимоперпендикулярными осями - X, Y, Z.

Диапазон перемещений в каждом направлении - 1000 мм.

Точность позиционирования - 1 мм.

Скорость перемещения в одном направлении - 10 мм/сек.

Для обеспечения заданных характеристик, в качестве привода применяются шаговые двигатели. Для измерения положения рабочего органа манипулятора в пространстве по каждой координате, устанавливается датчик - измеритель пути.



2. Расчеты и принцип выбора элементной базы

Для управления манипулятором разрабатывается модуль управления, структурная схема которого представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структурная схема модуля управления

Модуль питания и сброса

Модуль питания выполняет две основные функции:

организация питания устройства;

организация сброса.

Организация питания заключается в преобразовании сетевого переменного напряжения в постоянное высокостабильное напряжение питания устройства (+5В) и напряжение питания исполнительных элементов (+36В).

Организация сброса заключается в выработке сигнала сброса микроконтроллера при подаче питающего напряжения.

Разъем подключения программатора

Разъем подключения программатора служит для подключению к микроконтроллеру программатора с последовательным доступом

Блок согласования сигналов

Блок согласования сигналов используется для приведения сигналов к видам понятным микроконтроллеру и ПК при осуществлении передачи информации между ними по интерфейсу UART.

Интерфейсный разъем RS-232

Интерфейсный разъем RS-232 предназначен для упрощения процедуры подключения каких-либо устройств к разрабатываемому, благодаря использованию стандартных разъемов.

Тактовый генератор

Тактовый генератор формирует сигнал строго определенной частоты. Частота сигнала определяет быстродействие - тактовую частоту работы микроконтроллера.

Кнопки «Пуск», «Стоп»

Для включения и экстренного выключения устройства предусмотрены кнопки «Пуск», «Стоп», подключенные к внешним аппаратным прерываниям микроконтроллера.

КД_Х_исх, КД_Y_исх, КД_Z_исх

Концевые датчики исходного положения сигнализируют микроконтроллеру о достижении приводом исходного положения по соответствующей координате.

КД_Х_кон, КД_Y_кон, КД_Z_кон

Концевые датчики конечного положения сигнализируют микроконтроллеру о достижении приводом конечного положения по соответствующей координате.

LCD-дисплей

Для отображения информации о работе устройства применяется блок индикации в виде LCD-дисплее

Клавиатура

Ввод параметров технологического процесса осуществляется при помощи клавиатуры

Блок защиты и усиления

Блок защиты и усиления осуществляет функции усиления управляющего сигнала от микроконтроллера, а так же защиты микроконтроллера от самоиндукции обмоток электромагнита.

Электромагнит

Электромагнит осуществляет функцию захватного устройства манипулятора.

Драйвер

Драйвер - специализированная микросхема управления шаговым двигателем, которая уменьшает количество требуемых от процессора динамических сигналов, при этом существенно разгружая работу микроконтроллера.

Усилитель

Усилитель - усиливает напряжение, поступающее на обмотки шагового двигателя.

Блок диодной защиты

Блок диодной защиты защищает микросхемы от самоиндукции обмоток шагового двигателя.

Микроконтроллер

Микроконтроллер является главной частью устройства. Для функционирования микроконтроллера тактовым генератором вырабатываются импульсы тактовой частоты. В процессе работы микроконтроллером осуществляется функция управления всеми узлами устройства. Контроллер программируется и работает по строгому алгоритму, реализованному в программе.

Вся информация о протекании технологического процесса выводится на LCD. При возникновении неполадки микроконтроллер информирует оператора об этом, выводя на дисплей сообщение об ошибке.

При подключении к другим устройствам микроконтроллер осуществляет передачу информации через UART-интерфейс.

Программирование микроконтроллера осуществляется посредствам разъема подключения программатора (программатора устройств с последовательным доступом.)

2.1 Микроконтроллер, схема сброса, кварц

Выбор микроконтроллера осуществляется с учётом следующих параметров:

Линий ввода-вывода должно быть не менее 26, т.к. 10 линий необходимо для работы с LCD-дисплеем, 8 линии - шаговым двигателям, 1 линия - электромагниту, 7 - клавиатура

Микроконтроллер должен иметь 8 внешних прерывания, чтобы обрабатывать кнопки « Пуск», «Стоп», а так же сигналы с датчиков исходного и конечного положения.

Микроконтроллер должен иметь универсальный приемо-передатчик (UART) для связи с компьютером по интерфейсу RS-232.

Поэтому, принимая во внимание, эти параметры, был выбран микроконтроллер фирмы Atmel Atmega 128 (Рисунок 3).



Рисунок 3 - Микроконтроллер ATmega32

2.2 Интерфейс RS-232

Для связи с компьютером по интерфейсу RS-232 используется следующая схема (рисунок 4):

Рисунок 4 - RS-232

В данном устройстве реализация интерфейса RS-232 осуществляется за счет применения микросхемы DD1 - MAX232.

MAX232 - высокоскоростной CMOS RS-232 драйвер/приёмник. MAX232 - приемо-передатчик разработанный для RS-232 и V.28 интерфейсов связи, где подвод напряжения ±10 В не возможен. Данная микросхема преобразовывает входящее напряжение 5В в 10В необходимых для выходных уровней RS-232.Схема подключения микросхемы MAX232 является стандартной и рекомендована для использования компанией Maxim

2.3 Клавиатура

Для ввода параметров технологического процесса применяется пленочная клавиатура защищенного исполнения СК-04, включенная по схеме на рисунке 5.

Рисунок 5 - Клавиатура СК-04

СК-04 - стандартная гибкая пленочная клавиатура на полиэфирных пленках с заданным расположением и количеством клавиш. На внутреннюю сторону лицевой пленки нанесен многоцветный рисунок с изображением клавиш и специальных символов.



2.4 LCD-дисплей

В проектируемом устройстве предполагается использовать в качестве индикатора LCD дисплей фирмы OPTREX CORPORATION DMC-40457NY-LY-B - двухстрочный дисплей способный одновременно воспроизводить 16 символов. Видимое поле 99x24.

Данный дисплей подключается к микроконтроллеру через стандартный 14-ти контактный разъем. Эта схема требует минимальных программных затрат на обслуживание ЖКИ.

Для отображения информации предполагается использование дисплея. Разъем для подключения дисплея представлен на рисунке 6. Функции контактов на разъеме Х3 (рисунок 2.4.3):

- контакты 3..6, 11…14 - линии передачи данных (Data Bus Line);

- контакт 1 - заземление (Power Supply (0 V, GND));

- контакт 2 - питание +5В (Power Supply for Logic);

- контакт 4 -питание подсветки дисплея, по рекомендации компании производителя на данный контакт ставится построечный резистор номиналом от 10 до 20 кОм. В данном случае возьмем резистор СП3-19А номиналом 20кОм.

- контакт 3 - сигнал выбора регистра (Register Select Signal)

- контакт 6 - сигнал разрешения работы (Enable Signal);

- контакт 5 - сигнал выбора чтение/запись (Read/Write Select Signal), высокий логический уровень - чтение, низкий - запись

- контакты 7…10 при использовании 4 линии передачи данных не используются.

- R31 - потенциометр для регулирования контрастности выводимого изображения.

В этой схеме управляющие сигналы E и RS формируются программно на обычных линиях ввода/вывода AVR. Шина данных состоит из 4 разрядов. Каждый байт данных при этом передается за две последовательные посылки, начиная со старшей тетрады.

Рисунок 7 - Схема подключения LCD

Основные параметры

тип: символьный (знакосинтезирующий)

разрешение: 16 символов x 2 строк

размеры модуля, мм: 122.0 x 44.0

размер видимой области, мм: 99.0 x 24.0 (диагональ: 4.0 ? = 10.2 см)

размер точки, мм: 0.00 x 0.00

тип контроллера: S6B0066U

примечания: LED (W), EL, 3V

производитель: OPTREX



2.5 Кнопки «Пуск», «Стоп»

Для экстренной остановки в случае необходимости и последующего продолжения работы применены кнопки «Стоп» и «Пуск», заведенные на аппаратные прерывания (рисунок 8).

Рисунок 8 - «Пуск» и «Стоп»

2.6 Подключение концевых датчиков

Для определение крайних положений манипулятора по каждой из степеней свободы планируется использование концевых датчиков фирмы ELTRON серии МК-7 (рисунок 9)

Рисунок 9 - Концевой датчик ELTRON серии МК-7

Схема подключения данных датчиков представлена на рисунке 10



Рисунок 10 - Схема подключения концевых датчиков

При достижении манипулятором крайнего положения по одной из его осей он замыкает концевой датчик. При этом на контакте микроконтроллера устанавливается логический «0».

2.7 Подключение шаговых двигателей

Перемещение манипулятора по каждой из степеней свободы осуществляется при помощи биполярных шаговых двигателей ШД-5Д1МУ3 (рисунок 12).

Рисунок 12 - шаговый двигатель ШД-5Д1МУ3

Шаговый двигатель ШД-5Д1МУ3 (ДШР-80) предназначен для преобразования электрических импульсов в дискретные угловые перемещения и обладает высокими эксплуатационными характеристиками, в частности, малым углом шага.

Номинальное напряжение питания, В	36
Напряжение питания постоянного тока при резистивной форсировке, В	36 (+4.8/-7.2)
Ток в цепи фазовой обмотки в режиме фиксированной стоянки при напряжении питания 48 В при трёх включенных фазах, А	3 (±0.1)
Единичный шаг, градус	1.5
Статическая погрешность отработки шага, минут	± 27
Номинальный вращающий момент нагрузки, Н*м	0.100
Номинальный момент инерции нагрузки, кг*м2	4*10-6
Максимальная приемистость при номинальном напряжении питания, шаг/с, не менее	2800
Максимальный статический момент при питании двух фазовых обмоток током 3 (±0.1) А каждой фазы, Н*м, не менее	0.400
Число фаз	4
Максимальная частота, шаг/с
- при резисторной форсировке	8000
- при электронной форсировке	16000

Данный шаговый двигатель имеет две обмотки и, соответственно, четыре вывода (рисунок 13).

Рисунок 13 - Схема биполярного двигателя ДШИ-200-1-3.

Все сигналы управления шаговым двигателем можно сформировать программно, однако это вызовет большую загрузку микроконтроллера. В данном случае целесообразно для управления шаговым двигателем применить комплект специализированных микросхем L297 и L298 фирмы SGS-Thomson.

Микросхема DD3 - L297 содержит логику формирования временных последовательностей, а DD6 - L298 представляет собой мощный сдвоенный H-мост. L297 и L298 образуют законченную систему управления для шагового двигателя. Микросхема DA3 - L6210, представляет собой двойной мост на диодах Шоттки и служит для защиты от перегрузок (рисунок 14).



Рисунок 14 - Схема подключения шагового двигателя.

Микросхема L297 сильно разгружает управляющий микроконтроллер, так как от него требуется только тактовая частота CLOCK (частота повторения шагов) и несколько статических сигналов: DIRECTION - направление (сигнал внутренне синхронизирован, переключать можно в любой момент), HALF/FULL - полушаговый/полношаговый режим, RESET - устанавливает фазы в исходное состояние (ABCD = 0101), ENABLE - разрешение работы микросхемы, Vref - опорное напряжение, которое задает пиковую величину тока при ШИМ-регулировании. Кроме того, имеется несколько дополнительных сигналов. Сигнал CONTROL задает режим работы ШИМ-регулятора.



2.8 Управление электромагнитным щупом

манипулятор электромагнитный щуп микроконтроллер манипулятор

Управление электромагнитным щупом осуществляется по следующей схеме (рисунок 15)

Рисунок 15 - Схема подключения электромагнита

Транзистор VT1 - представляет собой усилитель управляющего сигнала микроконтроллера (с 5 до 36 В). Диод VD7 - защита микроконтроллера от самоиндукции обмоток электромагнита. R22, R32 - токозадающие резисторы - задают пределы тока в нормируемом диапазоне.

2.9 Схема питания

Для питания микроконтроллера, микросхем RS-232, управления шаговыми двигателями используется AC-DC преобразователь RS-25-5 на напряжение 5В и мощностью 25Вт.

Для питания ключей драйверов шаговых двигателей, электромагнита используется AC-DC преобразователь SPS-S150 на напряжение 36В и обеспечивающий необходимый запас по мощности с возможностью подключения различных ШД под каждую конкретную задачу

Питание в схему подается через разъем (рисунок 16).



Рисунок 16 - Схема питания

Размещено на Allbest.ru