автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Выбор аппаратных и программных средств управления мехатронных систем координатного позицирования по критериям их соответствия параметрам основных подсистем

На правах рукописи

РГБ ОД

2 8 НОЯ 2000

КУЛЕБЯКИН Алексей Александрович

ВЫБОР АППАРАТНЫХ И ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ КООРДИНАТНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ПО КРИТЕРИЯМ ИХ СООТВЕТСТВИЯ ПАРАМЕТРАМ ОСНОВНЫХ ПОДСИСТЕМ

Специальность 05.13.07. - Автоматизация технологических процессов и производств

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Рыбинск-2000

Работа выполнена в Ярославском государственном техническом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Гладштейн М.А.

- кандидат технических наук, доцент Кирик В.В.

Ведущее предприятие: Институт микроэлектроники и информатики Российской Академии Наук

Защита диссертации состоится 28 июня 2000 года в 12 часов на заседании диссертационного совета К. 064. 42. 02 Рыбинской государственной авиационной технологической академии по адресу: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, д. 53, ауд. 237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рыбинской государственной авиационной технологической академии.

Автореферат разослав^ ¿¿¿¿2А 2000 года.

Мясников В.К.

Учёный секретарь диссертационного совета

Иванов Ю.Н.

¡(5-5-05,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.

Системы технологического оборудования машиностроения в своем развитии становятся прецизионными и мехатронными, которые отличаются от традиционных компьютерным управлением функциональными и технологическими движениями исполнительных рабочих органов.

Применяемые в настоящее время мехатронные системы координатного позиционирования (МСКП) сохраняют общую структуру, присущую мехатронным системам вообще. Характерной особенностью МСКП является выполнение в технологических процессах операций точного перемещения по одной, двум или нескольким координатам. Эта особенность МСКП используется в различных технологических процессах, например, контроля, сборки, монтажа, смены инструмента или измерительного устройства и т.д.

Применение МСКП обусловлено недостатками традиционных автоматических средств для выполнения операций позиционирования, а именно: низкими скоростями перемещений звеньев исполнительного механизма, ограниченностью пространства конфигураций, релейными эффектами и т. д.

Дальнейшее повышение эффективности (производительности, точности, надежности, экономичности и т.д.) МСКП связано с совершенствованием структуры и конфигурации аппаратных и программных средств микропроцессорной подсистемы управления (МППСУ) и обеспечения ее соответствия другим подсистемам.

Поэтому задачи исследования соотношения структур основных подсистем МСКП (механической и управляющей) и установления критериев их соответствия, решение которых позволяет повысить эффективность МСКП в системах технологического оборудования машиностроения, являются актуальными.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Повышение эффективности мехатронных систем координатного позиционирования на основе рационального построения аппаратных и программных средств микропроцессорных подсистем управления путем выявления соотношения и обеспечения соответствия структур основных подсистем.

ОБЩАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

Решение основной задачи диссертационной работы базируется на применении методов системного анализа, теории автоматического управления, дискретной математики (теория графов, алгебра логики), информатики и теории механизмов и машин.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

Теоретический анализ соотношения структур и экспериментальное исследование оборудования основных подсистем позволили выделить перспективное направление разработок для повышения эффективности МСКП - определение критериев соответствия подсистем МСКП объекту автоматизации и процессу координатного позиционирования, а именно: конфигурации технических средств и элементной базе основных подсистем, а также функциям и выполняемым операциям.

Разработан метод построения структурной схемы МППСУ на основе анализа соотношения структур представляющих МСКП подсистем.

Получен в аналитической форме коэффициент для оценки соответствия структур основных подсистем МСКП.

Дано обоснование выбора конфигурации аппаратных и программных средств МППСУ по критериям соответствия.

Предложены оригинальные аппаратные и программные средства, а также перспективные конструкции для МСКП: устройство для программного управления, захватывающее устройство и устройство для контроля отклонений диаметра отверстия.

Новизна результатов диссертации подтверждена полученными авторскими свидетельствами на изобретения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ.

В результате проведенных исследований разработаны:

1. Математическая модель МППСУ на основе анализа процесса координатного позиционирования и соотношения основных подсистем МСКП.

2. Методика экспериментальных исследований МППСУ МСКП.

3. Конфигурация аппаратных и программных средств МППСУ МСКП на базе центральной управляющей микроЭВМ в следующих вариантах: микроконтроллера, отдельного конструктива и параллельно действующих локальных микроЭВМ.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

Совместно с НПО "Электронприбор" (г. Ярославль) для предприятий электронной промышленности Российской Федерации разработана автоматическая установка монтажа навесных компонентов (резисторов, конденсаторов, полупроводниковых кристаллов и т. п.) на подложку гибридных интегральных микросхем с микропроцессорной подсистемой управления.

Разработан и создан стенд для восстановления пакетов магнитных дисков к накопителям информации, применяемым в вычислительной технике.

Результаты работы использованы при постановке и чтении новых учебных дисциплин "Мехатроника", "Аппаратные и программные средства систем управления" и "Математическое моделирование процессов в машиностроении" на кафедре "Технология машиностроения" Ярославского государственного технического университета.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Материалы диссертации доложены на всесоюзной, международной и межвузовских региональных научно-технических конференциях.

Различные аспекты диссертационной работы обсуждались на заседаниях кафедр "Технология машиностроения" и "Теория механизмов и машин" ЯГТУ.

ПУБЛИКАЦИИ.

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе: статья - 1, тезисы докладов - б, авторские свидетельства на изобретения - 3.

СТРУКТУРА И ОБЪЁМ ДИССЕРТАЦИИ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложения. Основное содержание диссертационной работы изложено на 190 страницах машинописного текста. Работа содержит 32 ри-

сунка, 7 таблиц, 30 страниц приложений, список источников из 121 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Проблема соотношения и взаимосвязи структур основных подсистем мехатронной системы координатного позиционирования и повышения эффективности системы

Проведён обзор научно-технической и патентной литературы по современным средствам автоматизации технологического процесса координатного позиционирования в машиностроении. Рассматриваются современные тенденции развития автоматических систем координатного позиционирования и направления повышения их эффективности.

Исследованию мехатронных систем посвящены работы отечественных ученых: Аршанского М.М., Воробьева Е.И., Зориктуева В.Ц., Игнатьева B.C., Кравченко Н.Ф., Кулешова B.C., Лакоты Н.А., Макарова И.М., Медведева B.C., Митрофанова В.Г., Мясникова В.К., Подураева Ю.В., Путова В.В., Старостина А.К., Тимофеева А.В., Трусова В.В., Чинаева П.И. и других, а также ученых ряда зарубежных стран: Вукобратовича.М., Железова Ж. Й., Исии Т., Сига М., Уэда М. и др.

На основе обобщения результатов исследований мехатронных систем и проведенного литературного обзора были сделаны следующие основные выводы. Мехатронные системы (МС) состоят, как правило, из пяти основных подсистем - механической, информационной, управляющей, вычислительной (интеллектуальной) и диагностической. Наиболее точное соответствие подсистем МС при построении микропроцессорной подсистемы управления обеспечивается на ранних стадиях проектирования в соответствии с пожеланиями потребителя. Для установления соотношения основных подсистем МС необходимо построение математических моделей их структур, основанных на таких понятиях, как многополюсники, графы, сети и т.п. Структурные модели основных подсистем МСКП исследованы независимо друг от друга достаточно глубоко. Однако вопросы определения соотношения соответствующих подсистем и взаимосвязи между ними, связанные с повышением эффективности МСКП, на основе выбора конфигурации технических средств мик-

ропроцессорных средств управления, остаются до настоящего времени недостаточно проработанными.

Поэтому необходимо разработать метод построения структурной схемы МППСУ на основе анализа структур и связей между элементами основных подсистем, с учетом критериев соответствия подсистем объекту автоматизации и технологическому процессу.

2. Анализ соотношения структур основных подсистем меха-тровной системы координатного позиционирования

Основное уравнение МСКП, связывающее параметры структуры основных подсистем, имеет вид:

е = (1)

где 5 - обобщенные параметры (конфигурация) механической подсистемы;

г - совокупность выходных сигналов МППСУ.

Для графа МСКП (здесь непосредственно не приводится) справедливо следующее выражение:

Л?С= {(5,0,(?,!)), (2)

где р - некоторое множество связей (дуг);

(3)

- матрица весов вершин или состояний логического автомата МППСУ;

д(мс) = , (4)

- матрица конфигурации механической подсистемы или матрица элементов множества обобщенных координат;

2(МС) =

'г, 0 ... О

О о

(5)

- матрица множества выходных управляющих сигналов МППСУ.

Анализ соотношения структур основных подсистем МСКП позволил выделить главные признаки подсистем, на основе которых устанавливается коэффициент соответствия подсистем МСКП.

Коэффициент соответствия основных подсистем МСКП определяется количеством установленных признаков подсистем.

Для подсистемы управления показатели соответствия - определенная последовательность управляющих электрических сигналов, для механической подсистемы - обобщенные координаты звеньев.

Поэтому для механической подсистемы число признаков р, равно числу элементов вектора <2, число признаков^, для МППСУ равно числу элементов векторов 2.

Коэффициент соответствия основных подсистем выражается формулой:

к = ^ (б) С ад + ^ц)'

где Ро- число состояний логического автомата МППСУ.

Таким образом, из анализа соотношения структур основных подсистем МСКП и структуры графа МСКП следует, что эффективность МСКП зависит от количества установленных признаков подсистем, установленных взаимосвязей и заключается в установлении соответствия структуры и конфигурации аппаратных и программных средств МППСУ структуре и конфигурации механической подсистемы.

3. Обоснование выбора аппаратных и программных средств подсистемы управления мехатронной системы координатного позиционирования по критериям соответствия

Глава посвящена разработке функций, состава и вариантов аппаратных и программных средств МППСУ с учетом структуры и конфигурации механической подсистемы МСКП. Основой автоматизации технологического процесса координатного позициониро-

вания являются алгоритм работы и математическая модель, выраженная графом МППСУ.

Уравнение, отражающее функциональную зависимость выходных сигналов от входных и промежуточных, сигналов, действующих в МППСУ, имеет вид:

где управляющая функция от подсистемы управления 7(0 представляет собой совокупность выходных сигналов МППСУ.

Совокупность входных сигналов МППСУ обозначим - {а, + хп}, а {л*л}- совокупность промежуточных сигналов, действующих в МППСУ и обусловленных работой жесткой и гибкой (программируемой) логики, причем:

*(0 = П*»<'),а Ш = (8)

/-1

Систему уравнений, определяющую взаимосвязь между подсистемой управления и механической подсистемой МСКП, представим в виде:

а дЬ дЬ

& ¿4

(9)

где Ь - функция Лагранжа системы, Чп - обобщенные координаты и Я п - обобщенные скорости механической подсистемы.

Целесообразно также установить критерии соответствия основных подсистем МСКП объекту автоматизации и процессу координатного позиционирования. Критериями соответствия основных подсистем объекту автоматизации являются:

а) элементная база основных подсистем,

б) конфигурация технических средств подсистем.

Критерии соответствия подсистем процессу координатного позиционирования: функции и операции.

Для наглядного представления функций МППСУ в работе использован метод графов (рис.1), который дает представление о состояниях МППСУ и переходах от одного состояния МППСУ к другому, характеристика состояний приведена в табл. 1.

Рис.1 Граф МППСУ

Таблица 1

Характеристика состояний МППСУ

Состояния Характеристика

Старт

Загрузка памяти микропрограмм

БЗ Вычисление траектории

84 Комплексный \ Автономный режим

Б5 Пуск МППСУ

86 Формирование последовательности импульсов

Б7 Перемещение в исходную точку {хО,уО,гО}

Позиционирование

89 Ориентация МСКП в точке {х1,у1,г1}

810 Измерение и контроль

811 Вычисление результата сравнения величин

812 Отображение и регистрация

Математическое описание графа МППСУ осуществляется матричным способом.

Для графа МППСУ (рис.1) матрица инцидентности имеет вид:

Р(МС) --

а11 а\2 а21 о22

ам\ ат2

. а\т . а2п

. атп

(10)

где т - число вершин графа МППСУ, а элементы матрицы принимают значения -1; 1 и 0 в зависимости от коинцидентности и неко-инцидентности соответствующих дуг.

Таким образом, с помощью полученных критериев соответствия подсистем МСКП объекту и процессу координатного позиционирования можно осуществлять выбор состава, структур и конфигурации технических средств основных подсистем на современной элементной базе, для компьютерного управления происходящими в МСКП процессами преобразования энергии и информации. При этом конфигурация аппаратных и программных средств МППСУ должна соответствовать сосредоточенному или распределенному расположению конструктивных модулей (КМ) - элементов механической подсистемы.

4. Разработка конструктивных модулей и микропроцессорной подсистемы управления на основе выбора аппаратных и программных средств по критериям соответствия

Новые КМ и МППСУ созданы в ЯГТУ в связи с выполнением хоздоговорных научно-исследовательских работ на темы "Автоматизация проектирования робототехнологических измерительных комплексов для контроля геометрических параметров деталей топливной аппаратуры" и "Разработка автомата для монтажа навесных компонентов при сборке гибридных интегральных схем и микрофункциональных узлов", выполненных по комплексной научно-технической программе Минвуза РСФСР "САПР".

МППСУ содержат вычислительный блок, соединенный с регистром адрес-данные. К выходам регистра подключены входы программируемого счетчика-таймера, а его другие входы соединены с

выходами регистра адреса, регистра команд и состояний, а также к входам логических элементов ИЛИ-НЕ. Выходы элементов соединены с входами формирователя фазных импульсов (ФФИ), соединенного с блоком технологических команд, вход которого подключен к датчикам исходного положения. ФФИ содержит два логических элемента И-НЕ, выходы которых подключены к входам реверсивного счетчика, соединенного последовательно с двоично-десятичным дешифратором. При этом выходы дешифратора являются входами логических элементов И-НЕ, выходы которых соединены с входами блока ключей.

Предложена структурная схема МППСУ с применением формирователя временных интервалов (ФВИ), соединенная последовательно с ФФИ.

Сравнение с другими техническими решениями в данной области техники созданных МППСУ определило признаки, отличающие их, а именно: использование ФВИ, содержащего программируемый счетчик-таймер, генератор импульсов и два логических элемента ИЛИ-НЕ, что позволило осуществить программное управление точностью координатного позиционирования, а также величиной перемещения и его скоростью. Кроме того, удалось улучшить динамику привода за счет использования ФФИ, содержащего логические элементы ИЛИ-НЕ и последовательно соединенные реверсивный счетчик и двоично-десятичный дешифратор и реализующего схему коммутации для шестифазных шаговых двигателей двухкоординатных МСКП.

Технические решения автоматического оборудования для МСКП, выполненные в соавторстве, отличаются от известных минимумом преобразований энергии и информации, объединением корпусов функциональных элементов КМ, объединением внутренних функций, например, КМ захвата и КМ для контроля отклонений диаметра отверстия, на которые получены авторские свидетельства на изобретения.

5. Экспериментальные исследования эффективности и практическая реализация выбранных по критериям соответствия аппаратных и программных средств подсистемы управления

Проведены всесторонние опытно-промышленные испытания и внедрены в производство МППСУ в двух конфигурациях их технических средств: первая основана на использовании серийной вы-

числительной техники, вторая - на базе специализированных под рассматриваемую задачу аппаратных средств, использование которых позволяет расширить функциональные возможности МСКП, повысив тем самым ее эффективность и построив ее как систему параллельно функционирующих координатных мехатронных модулей.

Разработанная МППСУ шаговым приводом двухкоординатного стола монтажа навесных элементов отличается от аналогичных тем, что реализация функций формирования управляющих временных последовательностей импульсов осуществляется программными средствами микроЭВМ и обеспечивает расчет оптимальных траекторий перемещения КМ. Обеспечить необходимое быстродействие оказалось возможным благодаря распределению функций между центральной ЭВМ и ведомыми (периферийными) устройствами, благодаря чему операции координатного позиционирования выполняются в режиме реального времени.

МППСУ имеет следующие основные характеристики: число точек позиционирования по каждой координате - до 100, точность позиционирования - 20 мкм, производительность не меньше 600 компонентов в час, датчик исходного положения - волоконно-оптический. Корпус МППСУ выполнен в виде отдельного приборного модуля.

Экспериментальные исследования МППСУ автомата монтажа навесных компонентов, проводились в отделе испытаний новой техники НПО "Электронприбор" по специально разработанной методике.

Результаты проведенных на двух предприятиях электронной промышленности Российской Федерации опытно-промышленных испытаний МППСУ, входящих в состав автомата монтажа навесных компонентов, и последующего его внедрения на этих предприятиях подтвердили достоверность и обоснованность результатов исследований.

Разработанная методика испытаний МППСУ соответствует условиям испытаний - параметрам окружающей среды, определенных ГОСТом 24686-81 "Оборудование для производства изделий элек-гронной техники и электротехники".

Для отработки методики эксперимента с прецизионным технологическим оборудованием, предназначенным для накопления информации и использующимся в процессе координатного позиционирования, в информационно-вычислительном центре ЖГУ был

создан и испытан стенд для восстановления пакетов магнитных дисков. Проведенные испытания подтвердили эффективность предложенного метода и рациональность выбора основных подсистем МСКП.

В ПРИЛОЖЕНИИ приведены условные обозначения, принципиальные схемы, алгоритмы и документы о практическом использовании результатов работы, подтверждающие эффективность разработанного оборудования.

ВЫВОДЫ

¡.Выявлены факторы, определяющие возможность математического описания структуры основных подсистем МСКП, определено соотношение структур подсистем по главным признакам, определена общая структура МППСУ.

2. Проблему повышения эффективности МСКП удалось разрешить на основе предложенного метода выбора открытой конфигурации МППСУ по критериям соответствия основных подсистем объекту автоматизации и процессу координатного позиционирования.

3.Установлено, что для согласованного взаимодействия подсистем МСКП должно быть выполнено необходимое и достаточное соответствие признаков основных подсистем.

4. Предложено аналитическое выражение для установления взаимосвязи управляющей и механической подсистем МСКП и формула для определения коэффициента взаимного соответствия основных подсистем.

5. Разработанная МППСУ двухкоординатного стола, с шаговым приводом автомата монтажа навесных компонентов, отличается от аналогичных тем, что реализация функций формирования управляющих временных последовательностей импульсов осуществляется программным способом.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ опубликовано в

следующих работах:

1.№ 1645138 СССР МКИ В 25 J 15 / 00. - Захват / Мясников В.К., Кулебякин A.A., Касаткин М.И. / / Открытия. Изобретения. -1991.-№ 16.-С. 60.

2.№ 1668848 СССР МКИ G 01 В 5 / 12. - Устройство доя контроля отклонений диаметра отверстия / Мясников В.К., Кулебякин A.A., Костылев В.М. // Открытия. Изобретения. - 1991. - №29. -С. 177.

3.№ 1821791 СССР МКИ G 05 В 19 / 18. Устройство для программного управления / Мясников В.К., Кулебякин A.A. // Открытия. Изобретения. - 1993. - № 22. - С.114 -115.

4.Гордеев Е.В., Скворцов C.B., Гришин Д.Е., Мясников В.К., Кулебякин A.A. Система управления шаговыми приводами в автомате монтажа гибридных микромодулей // Теоретические и прикладные проблемы создания систем управления технологическими процессами: Тез. докл. Всесоюзн. науч.- техн. совещ. - М.: ВСНТО приборостроения, 1990. - 4.2. - С. 209.

5.Кулебякин A.A., Тихомиров O.E., Мясников В.К. Разработка ме-хатронных узлов для машиностроения. Межвузовская региональная научно-техническая конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов: Тезисы докладов / Яросл. гос. ун-т. - Ярославль, 1997. - С. 61.

6. Кулебякин A.A., Уткин С.О., Мясников В.К. Подсистема управления двухкоординатного мехатронного модуля. Межвузовская региональная научно-техническая конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов: Тезисы докладов / Яросл. гос. ун-т. -Ярославль, 1997. - С. 80.

7.Кулебякин A.A., Мясников В.К., Опарин И.С. О взаимосвязях структур подсистем мехатронной системы. Межвузовская региональная научно-техническая конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов: Тезисы докладов. - Вестник ЯГТУ ! Яросл. гос. ун-т. - Ярославль, 1998. - С. 106 - 107.

8.Кулебякин A.A., Мясников В.К. Критерии соответствия меха-тронных систем автоматизации. Региональная научно-техническая конференция, посвященная 55-летию Ярославского государственного технического университета: Тезисы докладов / Яросл. гос. техн. ун-т. - Ярославль, 1999. - С. 60.

9. Мясников В.К., Горячев A.B., Кулебякин A.A. Построение встроенной диагностической подсистемы для мехатронных систем в машиностроении. Международная конференция: Современные материалы, технологии, оборудование и инструменты в машиностроении. Тезисы докладов / Киев, 1999. - С. 91.

10. Мясников В.К., Кулебякин A.A., Горячев В.А. О соответствии основных подсистем мехатронной системы координатного позиционирования. Вестник ВВО АТН РФ, "Высокие технологии в машиностроении и приборостроении". Рыбинск, 1999. (Статья).

ВВЕДЕНИЕ

1. ПРОБЛЕМА СООТНОШЕНИЯ И ВЗАИМОСВЯЗИ СТРУКТУР ОСНОВНЫХ ПОДСИСТЕМ МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ КООРДИНАТНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ

1.1. Особенности структуры мехатронной системы координатного позиционирования

1.2. Соотношение основных подсистем мехатронной системы координатного позиционирования

1.3. Координатное позиционирование и его использование в технологических процессах автоматизированного машиностроения

1.4. Технические средства для автоматизации координатного позиционирования

1.5. Основные направления исследований в области создания технических средств для автоматизации координатного позиционирования

2. АНАЛИЗ СООТНОШЕНИЯ СТРУКТУР ОСНОВНЫХ ПОДСИСТЕМ МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ КООРДИНАТНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

2.1. Анализ структуры механической подсистемы мехатронной системы координатного позиционирования

2.2. Выбор рабочей зоны мехатронной системы координатного позиционирования

2.3. Математическое моделирование основных подсистем мехатронной системы координатного позиционирования

2.4. Моделирование конфигурации механической подсистемы мехатронной системы координатного позиционирования

2.5. Алгоритмы определения конфигурации механической подсистемы мехатронной системы координатного позиционирования

3. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА АППАРАТНЫХ И ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ПОДСИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ КООРДИНАТНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ПО КРИТЕРИЯМ СООТВЕТСТВИЯ

3.1. Особенности структуры подсистемы управления мехатронной системы координатного позиционирования

3.2. Алгоритмы управления шаговым приводом

3.3. Математическая модель подсистемы управления

3.4. Построение подсистемы управления

3.5. Информационная подсистема

3.6. Организация устройств связи подсистемы управления с объектом

4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНЫХ МОДУЛЕЙ И МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ПОДСИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВЫБОРА АППАРАТНЫХ И ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ПО КРИТЕРИЯМ СООТВЕТСТВИЯ

4.1. Конструктивный модуль захватывающего устройства

4.2. Конструктивный модуль для контроля отклонений диаметра отверстия цилиндрической формы

4.3. Конфигурация аппаратных и программных средств микропроцессорной подсистемы управления

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИСЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ВЫБРАННЫХ ПО КРИТЕРИЯМ СООТВЕТСТВИЯ АППАРАТНЫХ И ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ПОДСИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

5.1. Мехатронная система координатного позиционирования установки монтажа навесных компонентов

5.2. Выбор конфигурации аппаратных и программных средств подсистемы управления по критериям соответствия

5.3. Экспериментальные исследования подсистемы управления

5.4. Практическая реализация мехатронной системы координатного позиционирования установки монтажа навесных компонентов

5.5. Стендовые испытания эффективности оборудования для восстановления пакетов магнитных дисков 135 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Основой поступательного развития общества является научно-технический прогресс. Автоматизация технологических процессов была и остается областью, которая во многом определяет это движение. Современное машиностроение отмечено появлением мехатронных систем (МС) автоматизации, что связано с эволюцией механизмов и машин во времени. Для этого потребовались немалые усилия со стороны ведущих отечественных и зарубежных ученых, особенно в течение двух последних десятилетий. МС - сложная система, в которой в равной степени используются механические и микроэлектронные устройства.

В настоящее время, несмотря на всестороннюю изученность проблемы создания и применения таких систем, проблема эффективности автоматизированных систем координатного позиционирования (МСКП) решена не полностью. В области существующих автоматизированных систем координатного позиционирования и контроля можно отметить сложность и громоздкость конструкций механических подсистем, необходимость рационального выбора конфигурации аппаратных и программных средств микропроцессорных подсистем управления (МППСУ) и в связи с этим, необходимость в определении соотношения основных подсистем МСКП для повышения эффективности системы в целом. Эффективность МСКП - это ее производительность, точность, надежность, экономичность и заключается в установлении точного соответствия между подсистемами, по принципу необходимости и достаточности. Поэтому проблема исследования соотношения между основными подсистемами МСКП (управляющей и механической) - для установления их соответствия, является актуальной.

Целью работы является повышение эффективности мехатронных систем координатного позиционирования на основе рационального построения аппаратных и программных средств микропроцессорных подсистем управления путем выявления соотношения и обеспечения соответствия структур основных подсистем.

Указанная проблема предполагает структурный анализ подсистем МСКП, определение соотношения подсистем по главным признакам, определение критериев соответствия, а также анализ элементной базы подсистем. В ЯГТУ, в течение двух десятилетий, под руководством д.т.н., проф. Мясникова В.К. [57,58,59], проводились регулярные исследования в этом направлении. В частности установлено, что МС состоят из несколышх основных подсистем: механической, информационной, управляющей, вычислительной и диагностической.

МСКП сохраняют общую структуру, присущую МС вообще, они состоят из выше перечисленных подсистем. Их характерной особенностью является то, что в технологических процессах они выполняют операции координатного позиционирования. Позиционирование - операция точного перемещения и выполняется по одной, двум или нескольким координатам (на плоскости, в пространстве) и зависит, в каждом конкретном случае, от стоящих перед МСКП функ циональных задач. Такая особенность МСКП - позиционирование по нескольким координатам, необходима для осуществления различных этапов технологического процесса, например, сборки, монтажа, складирования, операций пал-летирования, смены измерительного устройства, последующего контроля и т.д. Число управляемых координат определяется, при этом, числом силовых элементов МСКП (исполнительных двигателей).

Наиболее точное соответствие параметров основных подсистем, при построении МСКП, обеспечивается на ранних стадиях проектирования. Сначала, в соответствии с двигательными функциями МСКП, определяют конфигурацию механической подсистемы, затем производят выбор конфигурации аппаратных и программных средств МППСУ, её предварительную структуру, (с распределенными или сосредоточенными параметрами), а принципом управления может быть комплексный или автономный режим работы, с управлением от центральной микроЭВМ, микроконтроллера, или с управлением на базе параллельно работающих микроЭВМ, объединенных при помощи средств интерфейса.

Для установления соотношения основных подсистем МСКП необходимо построение их математических моделей. Методом сравнения математических моделей основных подсистем по входным - выходным параметрам, определяется соотношение подсистем, устанавливается закономерность во взаимосвязи между ними. В результате анализа структур основных подсистем МСКП и установления связей и отношений между элементами подсистем, строится структурная схема МППСУ, с учетом критериев соответствия МППСУ объекту автоматизации и процессу координатного позиционирования. Затем выполняется построение конструктивных модулей (КМ) механической подсистемы и принципиальных схем МППСУ.

Аналитическое выражение для математического графа МППСУ включает в себя главные признаки подсистем, по которым можно определить условия взаимосвязи, соотношение подсистем и коэффициент соответствия подсистем.

Исследованию МС посвящены работы многих отечественных ученых: Ар-шанского М.М.[5], Воробьева Е.Щ47], Зориктуева В.Ц.[81], Кравченко Н.Ф.[84], Кулешова В.С.[26], Макарова И.М.[41], Охоцимского Д.Е.[75], Старостина А.К.[83], Чинаева П.И.[83], и др., а также ученых ряда зарубежных стран.

С учетом вышесказанного, были определены следующие научные задачи: анализ соотношения структур основных подсистем МСКП, обоснование метода выбора рациональной конфигурации аппаратных и программных средств МППСУ по критериям соответствия, разработка аппаратных и программных средств МППСУ, составление методики испытаний МППСУ.

Решение основной задачи диссертационной работы базируется на применении методов системного анализа, теории автоматического управления, дискретной математики (теория графов, алгебра логики), вычислительной техники и теории механизмов и машин.

В результате теоретических и экспериментальных исследований, путем анализа структуры МСКП на основе представляющих ее подсистем, была предложена структурная схема МППСУ. Путем анализа соотношения основных подсистем МСКП установлена закономерность во взаимосвязи механической и подсистемы управления МСКП. В диссертационной работе дано обоснование выбора конфигурации аппаратных и программных средств МППСУ МСКП по критериям соответствия. Приведены примеры перспективных конструкций КМ для МСКП, разработаны аппаратные и программные средства МППСУ. Составлена методика испытаний для исследования эффективности МППСУ МСКП. Новизна подтверждена полученными авторскими свидетельствами на изобретения.

В результате проведенных исследований разработаны:

- математическая модель МППСУ на основе анализа соотношения основных подсистем МСКП и процесса координатного позиционирования,

- конфигурация аппаратных и программных средств МППСУ МСКП, на базе центральной управляющей микроЭВМ в следующих вариантах: (микроконтроллер), отдельный конструктив (стандартный и нестандартный вариант оборудования) и в виде параллельно действующих локальных микроЭВМ,

- конструкции новых автоматических средств в МСКП (захватывающее устройство, устройство для контроля отклонений диаметра отверстия и устройство для программного управления),

- методика экспериментальных исследований МППСУ МСКП.

Достоверность и обоснованность результатов исследований подтверждается результатами опытно-промышленных испытаний МППСУ в различных вариантах конфигураций аппаратных и программных средств: первая основана на использовании серийной вычислительной техники, вторая - на базе специализированных под рассматриваемую задачу аппаратных средств, использование которых позволит расширить функциональные возможности МППСУ, повысив тем самым ее эффективность.

Материалы диссертации прошли апробацию в 6 докладах на Всесоюзной, Международной и Межвузовских региональных научно-технических конференциях.

Различные аспекты диссертационной работы обсуждались на заседаниях кафедры "Технология машиностроения" ЯГТУ.

13

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе: авторские свидетельства на изобретения - 3 , тезисы докладов - 6, статья - 1.

Основное содержание диссертационной работы изложено на 1во страницах машинописного текста. Состоит из оглавления, введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа содержит 32 рисунка, 7 таблиц и ВО страниц приложений. Список литературы включает 121 наименование работ отечественных и зарубежных авторов.

Работе предшествует литературный обзор основных сведений из теории анализа и синтеза автоматизированных средств координатных перемещений.

Работа выполнена в Ярославском государственном техническом университете.