Выбор аппаратных и программных средств управления мехатронных систем координатного позицирования по критериям их соответствия параметрам основных подсистем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.07, кандидат технических наук Кулебякин, Алексей Александрович

• Кулебякин, Алексей Александрович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кулебякин, Алексей Александрович

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выбор аппаратных и программных средств управления мехатронных систем координатного позицирования по критериям их соответствия параметрам основных подсистем»

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.