Размещено на http://www.allbest.ru/

86

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Технологическая часть

1.1 Назначение и конструкция графопостроителя

1.2 Анализ системы управления графопостроителя

1.2.1 Особенности функциональной схемы системы управления

1.2.2 Анализ двухкоординатного электромеханического устройства регистрации

1.2.3 Оценка вариантов технических решений по системе управления в целом

1.2.4 Техническая характеристика графопостроителя

1.3 Постановка задач на проектирование

2. Расчётно-конструкторская часть

2.1 Проверочный расчёт приводов

2.2 Расчет и проектирование устройства преобразования энергии сети

2.3 Выбор режим работы привода и закона коммутации фаз

2.4 Проектирование канала управления шаговым двигателем

2.5 Проектирование средств сопряжения с датчиками и электроавтоматикой

3. Специальная часть

3.1 Определение объёма обрабатываемой информации

3.2 Проектирование структурной схемы системы управления

3.3 Выбор интегральных схем для построения системы управления

3.4 Проектирование принципиальной схемы системы управления

3.5 Проектирование средств сопряжения с персональным компьютером

4. Разработка программного обеспечения

4.1 Построение алгоритма работы системы управления

4.2 Построение алгоритма работы модуля сопряжения

4.3 Построение алгоритма работы персонального компьютера

5. Технико-экономическое обоснование

5.1 Определение капитальных вложений в средства автоматизации

5.2 Определение годовых затрат на эксплуатацию средств автоматизации

5.2.1 Расчет расходов на основные материалы

5.2.2 Стоимость расходуемой технологической энергии

5.2.3 Амортизационные отчисления на реновацию систем управления

5.2.4 Расходы на содержание и эксплуатацию системы

5.2.5 Расчет годового экономического эффекта

5.2.6 Технико-экономические показатели проекта и выводы по принятым техническим решениям

6. Охрана труда и противопожарная техника

6.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов

6.2 Требования к освещению

6.3 Требования к параметрам микроклимата

6.4 Электробезопасность. Расчёт защитного заземления

6.5 Пожарная безопасность

6.6 Организация рабочего места

6.7 Требования к режиму труда

7. Гражданская оборона

Заключение

Перечень ссылок

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развития науки и техники наиболее важную pоль в процессе pазpаботки новых технических решений играет сбор информации, ее обработка и передача на последующие этапы пpоектиpования для ее дальнейшего использования. Одной из областей деятельности человека, в которой производится сбор и обработка информации, является разработка технической, конструкторской, технологической и другой документации в машиностроении.

Классический метод разработки документации включает в себя большое количество последовательных шагов, выполняемых различными подразделениями производственного предприятия: от заказа к постановке задачи проектирования, от постановки задачи к конструкторской разработке, от конструкторской pазpаботки к технологическому процессу и т.д. до получения опытного образца продукции. Такой метод занимает большую часть времени от поступления заказа до выхода первой продукции. Это приводит к повышению себестоимости продукции, больших затрат времени, энергии, а в некоторых случаях за время разработки продукция претерпевает моральное устарение.

Для повышения производительности работы конструкторских, технологических и других подразделений предприятий вводятся системы автоматизированного проектирования (САПР).

К таким системам относятся средства математического моделирования технологических процессов, графической поддержки конструкторских работ (графические системы AutoCad, Pcad, CorelDRAW и другие), а также графические комплексы (графопостроители, плоттеры, принтеры, сканеры и другое оборудование). Использование перечисленных средств позволяет сократить время разработки, корректировки и переноса на бумажные носители различного рода документации.

Современной промышленностью выпускается в большом количестве разнообразная копировальная техника, графические станции, комплексы, и другие средства копирования, размножения и вывода на бумажный носитель графической информации. Эти средства позволяют с большой производительностью и высоким качеством производить копирование и распечатку документации. Однако высокая стоимость такого рода оборудования не даёт возможности на его свободную закупку. Поэтому ставится задача восстановления имеющегося на предприятии оборудования, его модернизации и улучшения рабочих характеристик.

Объектом модернизации был выбран графический комплекс СМП6408.02, предназначенный для вывода графической информации с магнитной ленты или вычислительного комплекса (СМ2-М или СМ1700) на бумажный носитель.

Целью проекта предполагается разработка принципиально новой системы управления графопостроителем, средств связи с персональным компьютером и программного обеспечения всего комплекса.

Такой подход к решению поставленной задачи позволит решить проблему прямой связи между графическими системами AutoCad, Pcad или CorelDRAW и графопостроителем и избавит от необходимости промежуточной передачи данных на магнитную ленту или в вычислительный комплекс.

Кроме того, модернизация графопостроителя, как альтернатива закупке нового оборудования, позволит в значительной степени сократить финансовые затраты так как закупочная стоимость нового графопостроителя составляет около 2000$, а ориентировочная стоимость модернизированной системы управления - 200 гр.

Низкая стоимость модернизированной системы управления объясняется применением специализированного микроконтроллера серии 1816, спецификой структуры построения системы.

При создании модернизированной системы управления был разработан принципиально новый подход к аппаратной реализации законов управления приводами. Кроме того был разработан нестандартный способ управления ОЗУ динамического типа.

За счёт новых конструкторских решений и отступления от стереотипов при разработке микропроцессорных систем управления было получено повышение надёжности системы, уменьшения количества корпусов интегральных схем и входящих в систему блоков, а значит снизились затраты на создание системы и затраты на её энергопотребление.

В связи с тем, что модернизируемый графопостроитель является весьма распространённым на машиностроительных предприятиях отечественной промышленности, данный проект является весьма ценным, так как обеспечивает минимум затрат на обновление оборудования.

1. Технологическая часть

1.1 Назначение и конструкция графопостроителя

Графопостроитель СМП6408.02 является периферийным устройством, выполняющим функцию записи графической информации на бумажный носитель, представленной в виде графического изображения в прямоугольной системе координат: чертежей, схем, графиков, символов.

Графопостроитель является реальным объектом и играет важную роль в создании технической документации.

Графопостроитель может использоваться в вычислительных комплексах СМ-2М, СМ1210, СМ1700 (или аналогичных), в автоматизированных рабочих местах систем автоматизированного проектирования как автономно, так и совместно с вычислительными комплексами через интерфейс ввода-вывода.

Источником графической информации для графопостроителя является или вычислительный комплекс, к которому он подключен, или устройство внешней памяти на магнитной ленте А311-7/1.

В любом случае графопостроитель принимает информацию в символьном виде в коде КОИ-7 (ASCII). Графопостроитель имеет свой входной язык.

Конструктивно графопостроитель состоит из двухкоординатного электромеханического устройства регистрации (УР), в которое встроен программируемый микроконтроллер (МПК) с блоками ПЗУ А221-12/10-01 (Рисунок 1.1), А221-13/9, А221-13/10, ОЗУ СМ1634.3512.11, блоков управления БУ-232, БУ-233, интерфейсного блока БИФ-106. Кроме того, СМП6408.02 включает в себя два блока А711-26/1"И", А711-26/1"У"» и жгуты. УР состоит из устройства управления (УУ), представляющего собой стойку 4.115.036, в которой размещены БПт-76, БВн15/1 - 4шт., БУ-234 с блоками БЛг-50, БК-674, БУШД-3 - 2шт. и двухкоординатного механизма (МД), установленного на нем.

Рисунок 1.1 - Устройство регистрации электромеханическое двухкоординатное

1-устройство управления, 2-блок интерфейсный БИФ-106, 3-блок управления БУ-233, 4-блок управления БУ-232, 5-модуль оперативной памяти СМ1634.3512.11, 6-устройство постоянное запоминающее А221-12/10-01, 7-устройство постоянное запоминающее А221-13/10, 8-устройство постоянное запоминающее А221-12/9, 9-контроллер микропрограммируемый, 10-блок А711-26/1.



Рисунок 1.1-Внешний вид графопостроителя СМП6408.02:

1 - Механизм двухкоординатный;

2 - Устройство управления.

В состав графопостроителя входят:

Устройство регистрации электромеханическое двухкоординатное в составе:

Устройство управления в составе:

а) Блок питания БПт-76;

б) Блок вентиляторов БВн-15/1;

в) Стойка;

г) Блок управления БУ-234 в составе:

а1) Корпус;

а2) Блок управления шаговым двигателем БУШД-3;

а3) Блок логический БЛг-50;

а4) Блок комбинированный БК-674;

Механизм двухкоординатный;

Регистр дуплексный с интерфейсом ИУС А711-26/1;

Контроллер микропрограммируемый в составе:

Блок управления БУ-139;

Блок управления БУ-140;

Блок управления БУ-141;

Блок управления БУ-156;

Корпус;

Устройство внешней памяти на магнитной ленте А311-7/1;

Модуль оперативной памяти СМ1634.3512.11;

Устройство постоянное запоминающее А211-13/9;

Устройство постоянное запоминающее А211-13/10;

Устройство постоянное запоминающее А211-13/10-01;

Стойка;

Блок интерфейсный БИФ-106;

Блок управления БУ-232;

Блок управления БУ-233.

1.2 Анализ системы управления графопостроителя

1.2.1 Особенности функциональной схемы системы управления

Система управления графопостроителя имеет многоблочную структуру. Каждый блок выполняет определённую функцию. Для согласования работы блоков и передачи данных между ними система имеет три интерфейса (рисунок 1.3). Ниже преведено назначение блоков системы управления. А311-7/1 предназначен для ввода графической информации при работе графопостроителя в автономном режиме.

А711-26/1 предназначен для согласования интерфейсов ИУС и интерфейса А311-7/1. А711-25 предназначен для согласования интерфейса ИУС/ИРПР. БВн-15/1 предназначен для обеспечения необходимого теплового режима в стойке УР. БИФ-106 предназначен для подключения ПУ-27 к МПК и реализует выход на интерфейс ИУС.

БИФ-109 предназначен для согласования интерфейсов С2-ИС/ИРПС.

БПт-76 предназначен для питания составных частей графопостроителя. БУ-232, БУ-233 предназначены для согласования интерфейсов ИРПР и ИУС и управления скоростью вращения ШД.

БУ-234 предназначен для управления МД и реализует выход на интерфейс ИРПР. МД предназначен для закрепления бумажного носителя, установки перьев, перемещения перьев по полю записи.

МПК предназначен для приема и расшифровки команд, поступающих от ВК или считываемых А311-7/1 с магнитной ленты, и формирования команд для БИФ-106, БУ-232, БУ-233.

Рисунок 1.2-Структурная электрическая схема системы управления графопостроителем

ОЗУ СМ1634.3512.11 предназначено для хранения данных и результатов промежуточных вычислений.

ПЗУ А221-12/10, А221-13/9, А221-13/10-01 предназначены для хранения рабочих микропрограмм, констант и тестового рисунка.

Стойка 4.115.036 предназначена для установки в ней БПт-76, БУ-234, БВн-15/1 - 4шт., МПК и закрепления на ней МД.

Стойка 4.115.048 предназначена для установки в ней А311-7/1. Вся работа графопостроителя осуществляется под управлением МПК и микропрограмм, записанных в ПЗУ А221-13/9, А221-13/10, А221-12/10-01.

После включения питания графопостроитель переходит в исходное состояние, при котором все перья подняты, установлен ручной режим работы, заданы параметры настройки по умолчанию (скорости черчения, ускорения, масштаба и задержки на опускание пера).

Графическая информация из вычислительного комплекса вводится в графопостроитель через согласователь А711-25 и записывается в ОЗУ. Слова состояния графопостроителя передаются в вычислительный комплекс через этот же согласователь. Результаты обработки графической информации, состояние графопостроителя в цифровой форме через БИФ-106 передаются на ПУ-27, где они отображаются в виде цифровых кодов. Состояние кнопок ПУ-27 через этот же блок передаются в МПК, где они анализируются. С помощью кнопок ПУ-27 оператор может изменить скорость черчения, ускорения, масштаб, задержку на опускание пера, задать источник информации и другие режимы.

Перед черчением вектора или дуги в БУ-232 передаются константы, которые задают режим работы графопостроителя, формирующие кривую разгона-торможения ШД, оптимальную для каждого вектора или дуги.

Связь МПК с БУ-234 осуществляется через БУ-233, имеющий два независимых канала, выходящих на интерфейс ИРПР. По одному из них передаются команды из МПК в БУ-234, по другому - слова состояния устройства регистрации из БУ-234 в МПК. Передача команд в БУ-234 всегда стpобиpуется выходными сигналами БУ-232. Команды, переданные в БУ-234, дешифрируются БЛг-50 и передаются на БУШД-3 для управления ШД и на БК-674 для управления БЭ и ПО. Сигналы кнопок ПО, концевых ограничителей по оси Y с БЭ, концевых ограничителей по оси X с БКВ, сформированные в слова состояния блоком БК-674, передаются в БЛг-50 и затем через ИРПР в БУ-233. БУ-234 по запросу передает их в МПК.

1.2.2 Анализ двухкоординатного электромеханического устройства регистрации

УР состоит из двух составных частей: МД и УУ.

МД предназначен для регистрации графической информации на бумажном носителе, укреплённом на планшете, одним из трёх перьев, установленных в блоке электромагнитов. Электромагниты перемещаются по осям Ox и Oy шаговыми двигателями ШДX и ШДY.

Ниже представлена кинематическая схема двухкоординатного устройства регистрации (рисунок 1.3).

УУ предназначено для управления двигателями и блоком электромагнитов МД, реализации обмена информацией с БУ-233 через интерфейс ИРПР, конструктивного размещения в нём МПК с блоками.

Несущей конструкцией двухкоординатного механизма является рама 1 (приложение___), на которую устанавливаются: пульты оператора 2 и 3; блок концевых выключателей 6; насос 9; направляющие 11, по которым перемещается на подшипниках балка 10; редукторы 12 и 13, на выходе которых установлены шкивы 16 и 17. На каретку балки устанавливается блок электромагнитов 25 с перьями 26-28.

Редукторы 12 и 13 предназначены для осуществления редукции от шаговых двигателей к балке для получения перемещения по осям X и Y с шагом 0,05 мм. Редукторы двухступенчатые. Передаточные отношения редуктора по оси X равно 21,6, по оси Y - 10,8. Для устранения бокового зазора в зубчатых передачах применены люфтовыбирающие колёса. Они имеют одинаковые зубчатые венцы. Одно колесо закреплено на валу жёстко, а второе подвижно. Между колёсами установлена растянутая пружина. Под действием пружины колёса прижимаются к разноимённым профилям зубьев сопряжённых колёс и образуют с теми беззазорное профильное зацепление.

Планшет предназначен для закрепления на нём бумаги. Плотное прижатие бумаги осуществляется за счёт создаваемого насосом разряжения воздуха.

Рисунок 1.4- Кинематическая схема двухкоординатного устройства регистрации: 1-двигатель; 2-редуктор по оси Ox (i=21,6); 3-канат ( 1,8 мм); 4-ролик ( 70); 5-ролик ( 70); 6-канат ( 1,2); 7-редуктор по оси Oy (i=10,8); 8-Блок электромагнитов: 9-Узел пишущий; 10-Каретка; 11-ролик ( 45); 12-узел натяжной; 13-шкив ( 80,6); 14-ролик ( 70); 15-винт регулировочный; 16-шкив ( 81,3).

Блок электромагнитов представляет собой узел управления перьями. Он состоит из магнитопровода, катушек, через которые проходит сердечник. При протекании тока через обмотку катушки возникает магнитный поток, который проходин через сердечник магнитопровода, якорь пера и замыкается в воздушном зазоре между якорем и магнитопроводом. Сила, создаваемая магнитным потоком, вызывает притягивание якоря к магнитопроводу и опускает перо. Подъём пера при обестачивании обмотки происходит под действием пружин до упора фиксатора.

Балка предназначена для перемещения блока электромагнитов , находящихся в каретке. Балка представляет собой траверсу с выфрезерованными канавками, по которым движутся по оси Y ролики каретки. На траверсе закреплены две пластины с подшипниками и две оси с обводными роликами, которые при помощи каната передают перемещение каретке по оси Y. При движении по оси X подшипники передвигаются по направляющим. Передача перемещения балке осуществляется при помощи каната, жёстко связанного с балкой кронштейном.

1.2.3 Оценка вариантов технических решений по системе управления в целом

Из перечисленных выше конструктивных особенностей графопостроителя можно выделить следующее:

механическая часть не имеет особых недостатков и не требует внесения изменений;

привод построен на базе шаговых двигателей, редукторов и системы канатов и обеспечивает безлюфтовое перемещение исполнительного органа (перьев);

система управления имеет многоблочную структуру, включающую в себя большое количество разъёмных соединений, снижающих надёжность связи между блоками;

все блоки системы управления, включая МПК, построены на элементарных логических элементах и не имею интегрированных средств обработки информации, что снижает надежность работы системы, увеличивает потребляемую мощность, увеличивает габариты и вес, повышает сложность в техническом обслуживании и ремонте;

Отсюда видно - комплекс нуждается в разработке принципиально новой системы управления, которая будет обеспечивать приём графической информации из ПК, её обработку, формирование сигналов управления шаговыми двигателями и перьями, а также контроль состояния датчиков. Реализация данной задачи имеет как минимум три основных пути решения.

1-й вариант.

Удалить из системы управления блоки МПК. Разработать модуль согласования интерфейса (МСИ) персонального компьютера и интерфейсов системы управления. Структурная схема системы управления примет вид, представленный на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5- Структурная схема 1-го варианта модернизированной СУ

Данный вариант подразумевает минимум аппаратных изменений. Однако, имеет ряд существенных недостатков: структура системы остаётся многоблочной; требуется изменение микропрограмм, записанных в ПЗУ, либо проектировать МСИ таким образом, чтобы можно было исключить ПЗУ из системы управления;

приём, обработка и передача всей информации полностью возлагается на ПК, что приводит к снижению производительности в многозадачных средах типа Windows;

требуется написание сложного программного обеспечения ПК для реализации всех функций удалённого МПК;

интерфейс связи МСИ и системы управления графопостроителем будет иметь большое число линий и относительно большую протяжённость, что снижает помехоустойчивость , усложняет схемы выходных и входных каскадов и повышает потребляемую мощность.

2-й вариант.

Полностью исключить все блоки системы управления кроме БУШД-3. Разработать модуль управления (рисунок 1.6), имеющий в своём составе интервальный таймер, необходимый для управления шаговыми двигателями и узел сопряжения с ПК. А также блок коммутаторов фаз (БКФ) и сопряжения с электроавтоматикой (БСЭ).

Рисунок 1.6 - Структурная схема 2-го варианта модернизированной СУ

В данном варианте количество линий связи между ПК и БКФ значительно меньше. Здесь в таймер загружаются коэффициенты деления опорной частоты. С выхода таймера сигналы требуемой частоты (а соответственно и скорости перемещения) поступают на входы коммутатора фаз, где происходит подсчёт числа импульсов и последующая дешифрация для формирования сигналов управления блоками БУШД-3.

Для управления электроавтоматикой в интерфейс связи вводятся дополнительные линии связи.

Данная система имеет ряд преимуществ над 1-м вариантом:

структура системы имеет всего четыре блока;

программное обеспечение системы будет иметь более простой алгоритм;

аппаратно система управления будет реализована на минимальном количестве интегральных схем.

Недостатки системы:

все функции управления графопостроителем возлагаются на ПК;

интерфейс связи по прежнему имеет большое количество линий;

невозможна работа графопостроителя в автономном режиме.

3-й вариант.

Полностью удалить базовую систему управления из графопостроителя. Разработать одноплатную микропроцессорную систему управления (МПСУ) и модуль сопряжения (МС) с ПК, имеющих последовательный канал обмена (рисунок 1.7).

Рисунок 1.6 - Структурная схема 3-го варианта модернизированной СУ

Силовые блоки управления шаговыми двигателями выполнить отдельно от МПСУ. Для обеспечения управления в автономном режиме работы графопостроителя добавить в систему пульт оператора, имеющий в своём составе клавиатуру и цифровую индикацию.

В состав МПСУ должны входить:

микропроцессор;

ПЗУ для хранения микропрограмм работы системы;

ОЗУ для хранения графической информации;

схему приёма и передачи данных в последовательном коде;

схему управления индикацией и сканирования матрицы клавиатуры и датчиков;

схему управления блоком электромагнитов;

схему коммутации фаз.

Модуль сопряжения должен иметь:

схему приёма-передачи данных в последовательном коде;

буферное ОЗУ для промежуточного хранения данных;

схему сопряжения с интерфейсом ПК;

контроллер обмена данными.

В данной системе управления полностью решена проблема многоблочной структуры, а также количества линий связи между ПК и МПСУ. Применение последовательного канала связи позволит сократить число линий до одной. Управление графопостроителем полностью возложено на микропроцессор. Передачей информации в МПСУ управляет контроллер обмена. Таким образом, в функцию ПК входит только передача данных в буферную память МС. Данная система позволит графопостроителю функционировать в автономном режиме (при отсутствии связи с ПК). В таком режиме возможна организация вывода на бумажный носитель тестовых графических фигур для контроля и настройки механики.

Система имеет наибольшее преимущество над перечисленными выше и обладает всеми необходимыми качествами, удовлетворяющими предъявляемые к системе требования.

1.2.4 Техническая характеристика графопостроителя

В соответствии можно выделить следующие характеристики графопостроителя:

тип графопостроителя_планшетный;

носитель записи_бумага картографическая ГОСТ 1339-72, бумага чертёжная;

рабочее поле записи, мм, не менее_841 х 549;

разрешающая способность (минимальный шаг), мм_0,05;

минимальный программируемый шаг, мм_0,1;

статическая погрешность, мм, не более_±0,2;

максимальная динамическая погрешность при максимальном ускорении записи, мм, не более_±0,2;

повторяемость записи, мм, не более_0,15;

максимальная скорость перемещения пера по оси, мм/с, не менее_600;

количество цветов записи (перьев)_3;

число одновременно воспроизводимых цветов_1;

масштабы записи_1:10, 1:5, 1:4, 1:2, 1:1, 2:1, 4:1, 5:1, 10:1, 20:1;

система координат_абсолютная,относительная;

тип интерполяции_линейная, круговая;

виды записываемых графических данных_линия, сплошная, штриховая, штрих-пунктирная, дуга, окружность, символ;

кодирование алфавитно-цифровых, специальных и управляющих символов_по ГОСТ 13052-74, табл. КОИ-7Н0, КОИ-7Н1;

набор записываемых алфавитно-цифровых символов_набор 2 ГОСТ 19767-74.

МПК конструктивно состоит из четырёх блоков: БУ-139, БУ-140, БУ-141, БУ-156 и имеет следующие характеристики:

разрядность данных_16 бит,

Разрядность микрокоманд_18 бит (из них 2 контрольных),

Количество выполняемых арифметических и логических операций_48,

Количество выполняемых операций сдвига_7,

Количество регистров, доступных программисту_22,

Тип внешнего интерфейса_ИУС,

Адресуемая ёмкость памяти микрокоманд_64К слов,

Адресуемая ёмкость ОЗУ_64К слов,

Количество обслуживаемых адресов устройств ввода-вывода_256,

Система прерываний многоуровневая.

1.3 Постановка задач на проектирование

Из пречисленных выше вариантов технических решений выбираем микропроцессорную систему управления с последовательным каналом обмена. Данная система является наиболее приемлемой, т.к. имеет наиболее простую и гибкую структуру, позволяет сократить число плат (а значит и количество разъёмных соединений), а также линий связи с ПК. Для реализации этого варианта необходимо произвести анализ работы приводов, выбрать и обосновать режим работы ШД; определить состав каналов управления электроавтоматикой и пульта оператора; провести обоснованный выбор центрального процессора и вспомогательных схем; спроектировать принципиальные схемы МПСУ и модуля сопряжения с ПК; разработать алгоритм работы системы.

Таким образом, в задачу проектирования входит:

разработка блоков управления шаговыми двигателями;

разработка микропроцессорной системы управления приводами и электроавтоматикой;

разработка модуля сопряжения с персональной ЭВМ;

разработка программного обеспечения МПСУ и МС, а также ПК.

2. Расчётно-конструкторская часть

2.1 Проверочный расчёт приводов

Базовый вариант графического комплекса оборудован шаговыми электродвигателями типа ШД-5Д1М. Возникает необходимость проверки статических и динамических нагрузок, приложенных к приводам.

Кроме того, данный расчёт будет необходим в дальнейшем для определения закона управления ШД. Для определения статических нагрузок на приводы необходимо определить составляющие силы сопротивления:

,

где -статический момент сопротивления; -момент трения в редукторе; -момент трения в механизме передачи движения (трос-балка, трос каретка); -момент трения пишущего узла (пера) о поверхность бумаги. Так как величина силы технологического сопротивления мала, то ею можно пренебречь. По данным, полученным экспериментальным путём, усилие «срыва» с места механизма привода каретки составляет . Усилие «срыва» с места механизма привода балки составляет . Замеры усилий были проведены динамометром при снятых со шпонок приводных шкивах.

Отсюда, статические моменты усилия на шаговые электродвигателя будут составлять:

,

.

Т.е. усилие «сухого трения» на оба электродвигателя приблизительно одинаковы.

Для приблизительной оценки моментов инерции подвижных узлов механизма, приведенных к валу двигателя, можно воспользоваться выражением:

,

где - момент инерции двигателя.

Для определения мощности двигателя используем выражение:

где -максимальная угловая скорость:

,

где -максимальная скорость перемещения, -радиус приводного барабана, i=21,6-коэффициент редуцирования.

Тогда мощность двигателя составит:

Из приведенных выше расчётов и технических характеристик ШД можно сделать вывод, что установленные на МД шаговые электродвигатели полностью удовлетворяют требованию момента нагрузки и мощности.

2.2 Расчет и проектирование устройства преобразования энергии сети

Используемое в базовом варианте устройство преобразования энергии сети (УПЭС) имеет ряд недостатков:

выходные каскады не выдерживают рабочих токов;

низкий коэффициент стабилизации рабочего тока;

плохая защита по току.

Для проектирования новой УПЭС необходимо учитывать, что напряжение питания обмоток шагового двигателя составляет 60 В, а рабочий ток достигает 3 А. По рекомендациям, приведенным в [2] наиболее лучшей схемой управления шаговыми двигателями является система широтно-импульсной модуляции тока фазы. Ниже приведена структурная схема одного канала такой системы (рисунок 2.1)

Рисунок 2.1 Структурная схема системы управления шаговым двигателем

Здесь введена обратная связь по току, чем и достигается его стабилизация. На вход системы подаётся сигнал разрешения включения фазы (уровень ТТЛ). Этот сигнал нормализуется входным звеном в сигнал , величина которого пропорциональна рабочему току фазы. , поданный на вход сумматора складывается с сигналом обратной связи по току . Результирующий сигнал поступает на регулятор тока и далее на ШИП. Таким образом скважность напряжения на фазе двигателя будет пропорциональна сигналу .

С увеличением тока фазы величина сигнала возрастает, а - уменьшается. Соответственно напряжение и ток в фазе двигателя снижаются.

На листе 6 формата А2 (ДП 10.94549.006.Э3) представлена принципиальная электрическая схема каскадов УПЭС, позволяющая управлять включением обмотки фазы шагового двигателя.

Схема представляет собой усилитель мощности с широтно-импульсной модуляцией тока в нагрузке. Управляющим элементом цепи обратной связи является операционный усилитель DA1, на инвертирующий вход которого подаётся напряжение «уставки» (), формируемого элементами. На неинвертирующий вход поступает сигнал обратной связи, формируемый на измерительном резисторе R17 типа С5-16МВ-2Вт сопротивлением 0,1 Ом, включенным последовательно с обмоткой ШД. Резистор R1 задаёт коэффициент усиления усилителя DA1. Диоды VD1 и VD2 защищают вход усилителя от перегрузки по входному напряжению.

Входной сигнал Ф1, равный нулю, поступает на триггер Шмитта (элемент DD1.1) и далее на элемент DD2.1. выходной транзистор элемента DD2.1 открывается, и через светодиоды транзисторной оптопары протекает ток. Величина тока задаётся резистором R__. При этом оптотранзистор оптопары отпирается, и транзистор VT3, предназначенный для активного запирания транзисторов VT4 и VT7, закрывается, и транзисторы VT4 и VT7 открываются.

Одновременно сигнал с выхода элемента DD1.1 поступает на элемент DD2.2. при наличии сигнала «готовность» с блока питания БПт-76, равного логической единице, выходной транзистор элемента DD2.1 открывается и заперает транзисторы VT2 и VT6. Транзисторы VT5 и VT8 открываются и вызывают протекание тока в обмотке ШД.

Из-за индуктивности обмотки ток медленно нарастает и на резисторе R17 нарастает напряжение. при достижении напряжения на R17, равного

(где --напряжение «уставки», --величина гистерезиса, равная 0,25 мВ), на выходе операционного усилителя сформируется сигнал величиной около 10 В, который отпирает транзистор VT1.

Базовый ток транзистора задаётся сопротивлением R2. Отпирание транзистора вызывает прекращение тока через светодиоды оптопары и в конечном счёте запирание транзистора VT7. Обмотка ШД отключается от источника питания +60 В. Ток в обмотке начинает уменьшаться, протекая по цепи НФ1, обмотка ШД, КФ1, VT8, R17, VD6, НФ1. При достижении напряжения величиной на выходе операционного усилителя DA1 сформируется отрицательное напряжение, транзистор VT1 закрывается, что приводит к отпиранию VT7. Обмотка снова подключается к источнику питания +60 В и в обмотке снова начинает нарастать ток.

Величина среднего тока в обмотке определяется по формуле:

.

Когда сигнал Ф1 становится равным единице или сигнал «готовность» становится равным нулю, транзистор VT8 закрывается. Ток, вызванный э.д.с. самоиндукции, протекает по цепи НФ1, обмотка ШД, КФ1, VD5, источник питания 60В, VD6, НФ1; обмотка обесточивается, и запасённая энергия в обмотке ШД возвращяется в источник питания 60В.

Транзисторы VT7 и VT8 выбираются из условия:

;

.

По справочнику [__] выбираем транзисторы типа КТ818Г и КТ819Г, имеющие коэффициент передачи тока . Таким образом, ток базы составит

.

Транзисторы VT4 и VT5 используются для отпирания выходных ключей, а транзисторы VT3 и VT6 --для запирания. Транзистор VT2 используется как инвертор для раздельного управления ключами VT5 и VT6. Эти транзисторы выбираются из условия:

;

.

По справочнику [__] выбираем транзисторы VT2 типа КТ3117А, VT3, VT5 и VT6 типа КТ815А, VT4 типа КТ814А, имеющие коэффициент передачи тока Отсюда, ток управления предварительным каскадом:

Оптрон VD1 выбирается из условия:

;

.

По справочнику [__] выбираем оптопару типа К249КН1А.

Для управления промежуточными каскадами усиления и согласования уровней сигналов управления с входным сигналом ТТЛ-уровня применены две логические схемы (DD2.1 и DD2.2) 2И-НЕ с мощными транзисторами на выходе типа К155ЛА13.

2.3 Выбор режим работы привода и закона коммутации фаз

Для обеспечения высокой равномерности движения ротора ШД, точного позиционирования, высокой перегрузочной способности и повышения пускового момента по рекомендациям [3] применим метод естественного дробления основного шага двигателя . Изменение цены шага при естественном дроблении достигается исключительно за счёт изменения комбинации включения обмоток двигателя. При переходе к 12-титактной системе коммутации угол отработки шестифазного ШД становится равным . При этом закон коммутации имеет вид:

-1,2-1,2,3-2,3-2,3,4-3,4-3,4,5-4,5-4,5,6-5,6-5,6,1-6,1-6,1,2- ,

где 1…6 - номера фаз ШД.

Естественное дробление шага ШД можно осуществить аппаратным путём: заложить в логику работы коммутатора возможность изменения тактности системы коммутации. Наиболее простая схема управления шестифазным ШД с естественным дроблением шага приведена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2- Схема коммутатора фаз с естественным дроблением шага

В данной схеме применяется ИС программируемой логической матрицы (PLM) или ПЗУ, позволяющие реализовать любую комбинацию выходных сигналов, зависящую от входной комбинации адреса. Источником адреса является счётчик, с коэффициентом счёта 12. Скорость коммутации (а значит и скорость перемещения) зависят от частоты сигнала, подаваемого на вход С счётчика.

Для управления реверсом используется один из адресных входов PLM (ПЗУ). Проблему реверса можно решить путём применения реверсивного счётчика, однако схема значительно усложнится, т.к. двоичные 4-х разрядные счётчики без предварительной записи коэффициента пересчёта обратный отсчёт начинают с . Применение счётчика с предварительной записью коэффициента пересчёта в значительной степени усложнит схему. При подаче на вход коммутатора импульса ротор ШД занимает положение, соответствующее максимальной проводимости воздушного зазора. Если частота следования импульсов мала, то переходный процесс, соответствующий переключению, заканчивается до прихода очередного импульса, и этот режим работы привода определяется как режим единичных шагов ШД.

При скачкообразном увеличении частоты следования управляющих импульсов от нулевой до частоты приемистости шаговый двигатель втягивается в синхронизм с места. При этом может произойти потеря шагов, т.е. проскальзывание ротора относительно результирующего магнитного потока статора. При постепенном увеличении частоты входных сигналов во время разгона двигателя по некоторому закону его работа становится устойчивой без потери шагов на более высокой частоте вращения. Благодаря этому расширяется диапазон рабочих частот привода и повышается его быстродействие. Для реализации требуемого закона изменения входных сигналов необходимо применение специальной системы типа «привод с программным разгоном» или «привод с самокоммутацией».

В первом случае устройство состоит из линий задержки ЛЗ (рисунок 2.3) и мультивибратора МВ который генерирует импульсы с частотой близкой к частоте приемистости. Количество линий задержки, а также их временные параметры определяются типом используемого двигателя, нагрузкой и т.д. Диаграмма напряжений такого привода приведена на рисунке 2.4, из которой видно, что частота управляющих импульсов нарастает до частоты двигателя. Схемы программного торможения и реверса строятся аналогично на основе цепочки линий задержки и незначительно отличаются от схем управления программным разгоном.

Во втором случае для реализации кривых разгона и торможения используется система (рисунок 2.5), охваченная обратной связью по положению.

Рисунок 2.3- Схема системы программного разгона



Рисунок 2.4- Диаграммы напряжений системы программного разгона

Рисунок 2.5- Схема системы самокоммутации

Если сигнал с датчика положения (ДШ) подавать непосредственно на коммутатор, то получится привод, в котором шаговый двигатель автоматически выводится в синхронный режим с максимальной частотой вращения. Если сигнал с датчика подавать на коммутатор, задерживая его во времени, такой привод позволит регулировать частоту вращения.

Работа привода сводится к следующему: если , то реле Р разомкнуто и на вход логического элемента 2И отсутствует разрешающий сигнал; коммутатор не изменит своего состояния и ротор двигателя займёт положение статического равновесия на текущей характеристике синхронизирующего момента. Конструктивно ДШ выполнен таким образом, что выдаёт сигнал при прохождении ротором двигателя полного шага. Как только превысит напряжение срабатывания, реле Р сработает и на вход элемента 2И поступит сигнал разрешения. Второй сигнал поступит с линии задержки ЛЗ и на входе коммутатора К появится управляющий сигнал. Коммутатор переключит своё состояние и двигатель начнёт отработку нового шага. В момент завершения шага ДШ выработает сигнал, который через усилитель У поступит на ЛЗ. Через промежуток времени, обратно пропорциональный , ЛЗ выдаст очередной сигнал и коммутатор перейдёт в следующее состояние. Цикл повторится.

Верхний предел частоты вращения рассмотренного привода увеличивается на порядок и не зависит от момента инерции нагрузки и других параметров. Кроме того повышается устойчивость и качество движения по отношению к приводам с программным разгоном и разгоном на частоте приемистости.

Характеристики пуска шагового привода в трёх случаях показаны на рисунке 2.6 : кривая 1 соответствует пуску на частоте приемистости, кривая 2-пуску в режиме программного разгона, кривая 3-пуску в режиме самокоммутации.

Рисунок 2.6-кривые разгона при различных способах коммутации

Из рассмотренных режимов работы шагового привода наиболее качественное управление обеспечивает привод, работающий в режиме самокоммутации. Достоинства такого привода: большой диапазон регулирования скорости; экспоненциальный закон управления, обеспечивающий движение без перерегулирования и колебаний.

Недостатки: регулирование осуществляется аналоговым сигналом; требуются дополнительные изменения в механической части, необходимые для установки датчиков перемещений. При выборе оптимального режима работы привода по мимо собственных качеств различных режимов необходимо принять во внимание требования, предъявляемые к проектируемому приводу, характер нагрузки и другие показатели. Т.к. привод имеет постоянные статическую и динамическую нагрузки, а значит и постоянное время переходного процесса, то для реализации кривых разгона и торможения необходимо и достаточно применение системы с программным разгоном и торможением. Кроме того, предъявляемые к проектируемому приводу требования по точности и скорости легко могут быть реализованы данной системой. Зависимость частоты вращения ротора двигателя от момента нагрузки может быть приблизительно представлена прямой (рисунок 2.7)с ординатой и абсциссой , уравнение которой имеет вид:

.

Рисунок 2.7- Зависимость частоты вращения ротора двигателя от момента нагрузки

С учётом граничной прямой для постоянного момента нагрузки, если пренебречь собственным демпфированием двигателя, можно получить закон изменения частоты при разгоне двигателя:

где -постоянная времени; -момент инерции привода; -единичный шаг привода; -начальная частота.

Предельная кривая зависимости частоты от момента при торможении лежит выше соответствующей кривой разгона. Если для приближённой прямой предельной частоты в тормозном режиме обозначить соответственно момент и частоту при пересечении с осями через и , то для постоянного момента нагрузки и начальной частоты используют следующее уравнение, описывающее закон изменения частоты:

,

где .

У приведенного выше способа управления есть весьма серьёзный недостаток: большие динамические ошибки при разгоне и торможении. Это можно показать соотношением функций управления для двух координат:

Если принять начальную скорость равной нулю, то выражение примет вид:

(2.1).

Отсюда видно, что соотношение функций закона управления имеет нелинейный характер. Значит, участок вычерчиваемого отрезка, на котором идёт разгон приводов будет иметь искажения, в чём можно убедится, если проинтегрировать полученное соотношение. Таким образом, для уменьшения динамической погрешности необходимо иметь закон управления такого типа, при котором соотношение (2.1) будет равно константе. Однако, данный способ управления позволяет снизить динамические нагрузки на привод, а также повысить диапазон скоростей. По этому для управления приводами принимается метод масштабирования закона управления предельной скорости перемещения. В данном методе необходимо различать ведущую и ведомую координату. Для ведущей координаты, имеющей максимальное перемещение, скорость перемещения принимается максимальной, а закон управления будет иметь вид:

(2.2),

где -- постоянная времени для максимальной скорости перемещения, .--максимально допустимая частота управляющего сигнала.

Для ведомой координаты закон управления будет иметь вид:

(2.3),

где --перемещение по ведущей и ведомой координатам соответственно.

Из выражений (2.2) и (2.3) видно, что их соотношение будет равно соотношению величин перемещений по координатам, т. е. Тангенс угла наклона отрезка будет величина постоянная. При этом закон управления приводами -- экспоненциальный, динамическая ошибка равна нулю, а время разгона обеих приводов одинаковое.

При подстановке числовых значений максимальной частоты управления, минимального шага, момента нагрузки и момента инерции закон управления примет вид:

(2.4).

Здесь, -- максимальная частота управления шаговым двигателем типа ШД-5Д1М (по техническим характеристикам), --минимальный угол поворота ротора двигателя (с учётом дробления основного шага на два), --приведенный момент инерции механизма, --момент нагрузки.

График данного закона управления приведен на рисунке 2.8.



Рисунок 2.8-График закона управления ШД.

2.4 Проектирование канала управления шаговым двигателем

При определении состава канала управления ШД необходимо учесть диапазоны изменения скорости перемещения и ускорения (торможения), а также максимальную длину перемещений.

Для реализации системы программного разгона-торможения необходимо применить схему пограммируемого делителя опорной частоты.

На рисунке 2.9 представлена функциональная схема канала управления ШД.

Рисунок 2.9-Функциональная схема канала управления ШД.

Здесь счётчик СТ1 выполняет роль программируемого делителя опорной частоты F_опор до требуемой частоты управления ШД F_упр. Счётчик СТ2 предназначен для формирования импульсов, длительность которых рассчитывается исходя из формулы 2.4. за счёт обратных связей « OUT-GATE » работа счётчиков осуществляется попеременно. Период сигнала F_{упр будет равен:}

_{Коэффициент Кскор} загружается в счётчик СТ1 перед началом перемещения и сохраняется до конца перемещения. _{Коэффициент Кускор} загружается в счётчик СТ2 перед началом перемещения и меняется в конце каждого шага до тех пор, пока его значение не станет равным К_скор. Для того чтобы микропроцессор знал о необходимости загрузки очередного коэффициента деления счётчика ускорения сигнал с выхода счётчика СТ1 должен поступать на вход запроса прерывания. Сигнал F_упр поступает на коммутатор фаз (описан в п. 2.3).

Диаграммы сигналов данной схемы управления представлены на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10-Диаграмма сигналов на выходе счётчиков.

Для реализации данной схемы на злементной базе наиболее удобно применить схему интервального таймера К580ВИ53. Принципиальная схема канала управления ШД изображена на листе ___ формата А1.

Здесь третий свободный канал таймера используется для подсчёта отработанных шагов. Сигнал с выхода третьего канала поступает на схему запроса прерывания. Это позволяет избавится от необходимости программного подсчёта дискрет перемещения и повышает производительность системы управления в целом.

2.5 Проектирование средств сопряжения с датчиками и электроавтоматикой

К разряду электроавтоматики относятся установленные на графопостроителе блок электромагнитов и концевые датчики.

Блок электромагнитов включает в себя три электромагнита опускания пишущих узлов. Напряжение питания электромагнитов--24 В; род тока--постоянный. По техническому описанию блока рабочий ток одной включенной обмотки составляет 0,5 А, ток форсирования--1,5 А, время опускания пишущего узла составляет около 12-15 мс.

Схема управления блоком электромагнитов представлена на листе ___ формата А2. Здесь сигнал опускания одного из перьев поступает на усилители (элементы DD1, DD2) и далее на выходные ключи R2, R6, R10, VT1, VT5 или R3, R7, R11, VT2, VT6 или R4, R8, R12, VT3, VT7, которые подключают один вывод обмотки электромагнита к источнику питания +24 В. одновременно этот же сигнал через элемент 3И-НЕ (DD3.1) запускает одновибратор, собранный на элементах DD4.1, R1, C1, который формирует импульс длительностью 12-15 мс. Этот импульс через второй усилитель (элемент DD2) открывает форсирующий ключ (элементы R5, R9, R13, R14, VT4, VT8), который подключает второй вывод электромагнита к источнику -24 В. В катушке протикает форсирующий ток 1,5 А и перо опускается.

Через 12-15 мс форсирующий ключ закрывается и последовательно с обмоткой электромагнита включаются резисторы R17-R23, ограничивающие ток на уровне 0,5 А.

При снятии сигнала закрываются выходные ключи; возникающая э.д.с. самоиндукции ограничивается цепочкой R15,R16.VD1 (VD2, VD3) на уровне 35-40 В. При этом запускается второй одновибратор, вырабатывающий импульс лительностью 20 мс.Ток в обмотке уменьшается до нуля и перо поднимается.

Импульсы с выходов одновибраторов перемножаются на элементе DD3.2. Переход сигнала с выхода элемента DD3.2 из состояния низкого уровня в состояние высокого уровня сигнализирует о завершении переходных процессов и разрешает системе управления дальнейшие действия.

Для подключения концевых датчиков к системе управления применяется схема, приведенная на рисунке .

Рисунок 2.11-Узел сопряжения с концевыми датчиками.

Здесь для снижения влияния помех применяется питание датчика 24 В постоянного тока, а также RC-фильтр. Для согласования сигнала датчика с уровнем TTЛ применена оптронная развязка. Сопротивление R1 принимается равным 600 Ом, конденсатор C1--0,1 мкФ. Оптопара VТ1 принимается типа К249КН1А. Сопротивление R2 -- 300-350 Ом. Стабилитрон VD1 выбирается с напряжением стабилизации 5 В. По справочнику [1] выбираем стабилитрон типа КС156А с максимальным током стабилизации 55 мА. Тогда сопротивление R2 будет составлять около 850 Ом.

3. Специальная часть

3.1 Определение объёма обрабатываемой информации

При определении объёма обрабатываемой информации, количества каналов ввода-вывода, количества линий запроса прерывания и т. д. необходимо учесть, что проектируемая микропроцессорная система управления должна иметь:

два независимых канала управления шаговыми приводами;

канал управления тремя электромагнитами пишущих узлов;

канал сканирования четырёх концевых датчиков.

Кроме того, для нормальной работы системы необходимы вспомогательные средства, такие как:

последовательный канал ввода-вывода;

память графических данных, объём которой должен обеспечивать длительную работу МПСУ без дополнительной «подкачки» графической информации;

канал сканирования клавиатуры пульта оператора;

канал управления индикацией.

По техническим характеристикам базового варианта системы управления максимальное перемещение (рабочее поле записи) составляет 841x594 мм или 16820x11880 дискрет (одна дискрета--0,05 мм). Таким образом, разрядность счётчиков перемещения составит 15 и 14 разрядов соответственно. Т.е. примененный в схеме канала управления ШД удовлетворяет требованию разрядности, т. к. имеет 16-тиразрядные таймеры.

Таймеры каналов скорости и ускорения также являются 16-ти разрядными, значит приблизительный диапазон регулирования скорости составит 65536. Для управления каналом блока электромагнитов необходимо и достаточно применение одного 8-ми разрядного регистра в который будут записываться три бита управления пишущими узлами: .

Так как в любой момент времени может быть опущено только одно перо, то можно применить дешифратор 2х4. При этом количество занимаемых линий регистра уменьшится до двух. Однако такой способ усложнит схему, добавит дополнительный элемент. В данном случае применение дешифратора не является обязательным.

Так как присутствующие в системе концевые датчики и клавиатура пульта оператора имеют однотипные свойства (кнопка с замыкающими контактами), то каналы сканирования датчиков и клавиатуры можно объединить в один канал сканирования матрицы клавиатуры-датчиков.

Для управления данным каналом наиболее удобно применить схему контроллера клавиатуры-дисплея К580ВД79, которая позволит решить вопрос управления индикаторами пульта оператора.

Решение проблемы управления последовательным каналом обмена, а также памяти графических данных будет описана ниже.

3.2 Проектирование структурной схемы системы управления

Для обеспечения устойчивой работы системы управления, снижения вероятности выхода из строя, упрощение программирования, а также повышения других показателей качества проектируемой МПСУ, необходимо придерживаться требований к минимальной и достаточной конфигурации системы и единому внутреннему интерфейсу связи с информационными каналами.

Минимальная конфигурация системы сводится к наличию описанных выше информационных каналов, центрального процессора, памяти команд и памяти данных. Центральный процессор должен удовлетворять требованию быстродействия, разрядности данных и адреса.

Внутренний интерфейс системы должен быть построен таким образом, чтобы связь с информационными каналами не требовала применения схем преобразования интерфейса. Это позволит упростить структуру системы, а значит повысить её надёжность , облегчить программирование, и снизить затраты на разработку конструктивов плат и элементную базу.

Структурная схема модернизированной системы управления представлена на листе ___ формата А2 (модуль МПСУ).

Здесь графическая информация, поступающая по последовательному каналу связи, принимается процессором, анализируется и записывается в оперативной памяти.

После окончания приёма блока данных (длина блока ограничивается объёмом памяти) информация считывается из памяти, модифицируется, и передаётся в регистры каналов управления ШД, а также в регистры параллельного интерфейса управления блоком электромагнитов, индикацией и каналами ШД. Информация о состоянии концевых датчиков и клавиатуры считывается процессором из параллельного интерфейса, анализируется и вырабатываются корректирующие воздействия.

В данной системе для согласования работы всех информационных каналов применяется единый внутренний интерфейс. Структура системы включает в себя все необходимые каналы управления, память программ, память данных, а также устройством управления обменом информацией в последовательном коде.