99047

Расчет автоматизации манипулятора

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Разработать функциональную схему автоматизации манипулятора. Манипулятор должен быть оснащен конечными выключателями по каждой оси, кнопкой аварийного останова, отладочным пультом управления для ручного поворота по всем координатам, индикацией работающих осей. Датчик угла поворота типа ФИ (фотоимпульсный) с Z(Р)=2048 50. Датчик скорости типа ТГ/А-К+МУ (тахогенератор преобразователь аналог-код с масштабирующим усилителем). Схват оснастить аналоговым датчиком усилия, сопротивление которого пропорционально усилию сжатия

Русский

2016-07-29

435 KB

2 чел.

                                       Задание к курсовому проекту

                                                Код задания: 3132---36.

Манипулятор с приведенной кинематической схемой имеет три управляемых оси, оснащенные датчиками скорости и положения.

          1. Разработать функциональную схему автоматизации манипулятора. Манипулятор должен быть оснащен конечными выключателями по каждой оси, кнопкой аварийного останова, отладочным пультом управления для ручного поворота по всем координатам, индикацией работающих осей. Датчик угла поворота типа ФИ (фотоимпульсный) с Z(Р)=2048/50. Датчик скорости типа ТГ/А-К+МУ (тахогенератор/преобразователь аналог-код с масштабирующим усилителем). Схват оснастить аналоговым датчиком усилия, сопротивление которого пропорционально усилию сжатия R=f(F).

         2.Разработать преобразователи “скорость-код”, “положение-код” и “усилие-код”.                                                              

         3.Разработать схему сопряжения ввода информации в ЭВМ через интерфейс типа “ПЭВМ ЕС/К1810”. Каналы ввода релейных сигналов должны содержать схемы антидребезга. Для обработки сигналов с кнопок управления использовать каналы прерывания. Остальные сигналы о состоянии внешней среды должны вводится путем программного опроса через равные промежутки времени. Предусмотреть полную гальваническую развязку цепей манипулятора с входами ЭВМ. Для управления силовыми преобразователями установить по восьмиразрядному буферу на электропривод.

        4.Разработать схему алгоритма работы устройства управления манипулятора.

        5.Фильтр, имеющий в аналоговом виде передаточную функцию W(р)=1/(T1p+1)+T2p/(T3p+1), преобразовать к виду, удобному для реализации на ЭВМ. Полученный цифровой фильтр проверить на устойчивость, и в случае если он не устойчив, скорректировать до устойчивого.

       6.Разработать фрагменты программ на языке низкого уровня по обработке прерывания, обмена информацией с платой сопряжения; программу реализации цифрового фильтра, считая, что последний находится в цепи датчика скорости. Программу составить в системе команд микро-ЭВМ “ ПЭВМ ЕС /К1810”.
Рассчитать переходный процесс при скачкообразном входном воздействии для данного цифрового фильтра и аналогового прототипа.

       7.Разработать печатную плату блока сопряжения.


              1.
Функциональная схема автоматизации манипулятора

Функциональная схема автоматизации (ФСА) является основным техническим документом, определяющим объем и структуру автоматизированных технологических установок, промышленных объектов и агрегатов.

На рис.1.1 представлены графические условные обозначения основных приборов, которые используются в ФСА манипулятора.

регулятор скорости (статистический преобразователь) с интегральным законом управления

электродвигатель привода звеньев манипулятора, приводное устройство.

командное устройство с памятью для задания управляющих воздействий, преобразования сигнала из кодовой в аналоговую форму.

Прибор для измерения скорости с электрическим выходом

Прибор для измерения положения с электрическим выходом

Прибор для фиксации крайних положений при движении звеньев манипулятора (конечные выключатели ) по месту

Рис.1.1.Графические условные обозначения приборов, используемых в ФСА манипулятора

         Функциональная схема автоматизации включает в свой состав следующие подсистемы:

 - подсистему управления скорости колонны и звеньев, которое включает командное устройство YE, регулятор скорости SC, электродвигатель М1, датчик скорости SE, датчик угла поворота GE. Подобных подсистем внутри схемы – 6 (для управления поворотом звеньев);

- подсистему управления схватом грейдгера, включающую электромагнит М, преобразователь SC и датчик усилия сжатия схвата РЕ.

- систему конечных выключателей блокировок безопасности движущихся органов манипулятора GS.

-    так же содержит систему индикации работы SA.

Все датчики и устройства управления регуляторами являются адресуемыми устройствами, прием и передача данных в которые обеспечивается при помощи платы сопряжения управляющей микро-ЭВМ.

Буква А применяется для обозначения функции “сигнализация” независимо от того, вынесена ли сигнальная аппаратура на какой – либо щит или для сигнализации используются лампы, встроенные в сам прибор.

Буква S используется для обозначения контактов в устройствах только для включения, отключения, переключения и блокировки. Буквенное обозначения устройств, выполненных в виде отдельных блоков и предназначенных для ручных операций, независимо от того, в состав какого комплекта они входят, начинаются с буквы Н.

На рис.1.2 представлена схема автоматизации манипулятора, обеспечивающая заданные возможности согласно заданию.

                                    

                                             Описание работы манипулятора

Манипулятор состоит из поворотной колонны и двух звеньев. На звене L3 (рис.1.2) установлен схват. Перемещение звеньев обеспечивается электродвигателями по средствам статических преобразователей с интегральным законом управления. При этом информация о задающем воздействии поступает со стороны платы сопряжения от управляющей микро – ЭВМ в виде кодового сигнала, который преобразуется в аналоговый сигнал управления статическим преобразователем.

Информация о текущем значении частот вращения приводных двигателей и углах поворота звеньев поступает в управляющую ЭВМ через плату сопряжения. Кроме того, предусматривается подача в ЭВМ данных о состоянии конечных выключателей блокировки безопасности движущихся частей манипулятора.

 

 

 

 

             

Рис.1.2. Кинематическая и функциональная схемы манипулятора

Плата сопряжения с микроЭВМ

Датчик угла поворота  1 – го звена                                              1

Датчик угла поворота 2 – го звена                                               2

Датчик угла поворота 3 – го звена                                               3

Датчик скорости поворота 1 – го звена                                       4

Датчик скорости поворота 2 – го звена                                       5

Датчик скорости поворота 3 – го звена                                       6

Управление регулятором движения1 – го звена                         7

Управление регулятором движения 2 – го звена                        8

Управление регулятором движения 3 – го звена                        9

Управление регулятором схвата                                                 10

Датчик усилия сжатия схвата                                                      11

Конечные выключатели движения 1 – го звена                        12,13

Конечные выключатели движения 2 – го звена                        14,15

Конечные выключатели движения 3 – го звена                        16,17

Конечные выключатели  схвата                                                  18,19              

Аварийный останов                                                                      20

Ручное управление движением 1– ой оси                                  21,22

Ручное управление движением 2– ой оси                                  23,24

Ручное управление движением 3– ой оси                                  25,26                                       

Индикация работы                                                                       27-39

                 Рис. 1.3. Сопряжение платы управления с манипулятором

2.1.Преобразователь “скорость-код”

         В качестве датчика скорости используется тахогенератор. Преобразователь аналогового сигнала с датчика строится как преобразователь «аналог–код» с управляемым от микроЭВМ коэффициентом передачи.

       Схемное решение выбиралось исходя из следующих условий:

- максимальная скорость вращения двигателей Wмах = 1500 об/мин;

- минимальная скорость вращения двигателей Wмin = 1,5 об/мин;

- период съема информации с платы сопряжения – период квантования –Тк = 5 мс;

- точность измерения скорости не хуже 0,1 Wтек;

- коэффициент преобразования тахогенератора – 0,03 В*мин/об.     

    

   Структурная схема преобразователя представлена на рис 1.4.

Рис 1.4. Структурная схема преобразователя:

ТГ – тахогенератор;

Д – делитель напряжения;

ВП – выпрямитель;

МУ - масштабирующий усилитель

 

     Делитель напряжения должен делить на 4,5, чтобы на выход выпрямителя поступало 10В.

        

            35=IR(x) 

             I=10/R  

             35=Rx           x=7/2

 

 

       Принимается R=10 кОм, тогда 7/2R=35 кОм.

   

 

Выпрямитель  представлен на рис 1.5.

 

   

Рис 1.5. Выпрямитель

 DD1,DD2 – К140УД8А

 R – 4.7 кОм

R1, R2 = 10кОм

      В схеме применяются два операционных усилителя и два диода, включенные в цепь обратной связи операционного усилителя DD1. Это снижает прямое падение напряжения и влияние нелинейности диодов в число раз, равное коэффициенту усиления в контуре обратной связи. Данное устройство обладает высоким входным сопротивлением, что устраняет необходимость применять буферный  усилитель.

     Усилитель, выполненный на DD1 управляет усилителем, выполненным на DD2, таким образом, чтобы осуществить процесс двухполупериодного выпрямления входного сигнала. DD1 имеет коэффициент усиления 1 при отрицательных значениях и 2 при положительных значениях входного напряжения.

    Усилитель DD2 инвертирует выходной сигнал DD1, усиливая его с коэффициентом, равным 2 при положительных значениях входного напряжения. В то же время он усиливает входной сигнал, поступающий на его неинвертирующий вход в 2 раза при отрицательных значениях Uвх. В результате общий коэффициент усиления схемы оказывается одинаковым как при положительных, так и отрицательных значениях Uвх.

      При отрицательных значениях Uвх DD1 работает как повторитель, напряжение на его инвертирующем входе равно входному – диод VD1 открыт, а диод VD2 находится в закрытом состоянии. Усилитель DD2 инвертирует и усиливает напряжение, которое присутствует на инвертирующем входе усилителя DD1 с коэффициентом усиления 1. В то же время он усиливает входной отрицательный сигнал, который присутствует на инвертирующем входе с коэффициентом усиления 2.

      На входе усилителя DD2 формируется отрицательное напряжение, равное по амплитуде входному сигналу, когда на вход схемы поступает положительное входное напряжение, усилитель DD1 имеет коэффициент усиления 2. Диод VD1 закрывается, а диод VD2 открывается. Выходное напряжение в т.А становится 2 Uвх. Это напряжение инвертируется и усиливается усилителем DD2 с коэффициентом усиления 2. В то же время усилитель DD2 усиливает положительный входной сигнал, поступающий на его неинвертирующий вход с коэффициентом усиления 3. В результате чего выходное напряжение усилителя DD2 оказывается равным по абсолютной величине амплитуды входного сигнала, но имеет отрицательное значение.

       

       Масштабирующий усилитель выполняется на основе микросхемы К572ПА1. Использование КМОП ЦАП в цепи обратной связи операционного усилителя позволяет непосредственно управлять коэффициентом передачи с помощью цифровых сигналов. Схема обеспечивает усиление и ослабление аналогового входного сигнала в зависимости от значения цифрового кода(рис.1.6).

Рис 1.6. Масштабирующий усилитель

DA1 – К154УД3

VD1, VD2 – КД514А

С1 = 10 пФ

С2 = 10 пФ

С3 = 10 пФ

 2.2. Преобразователь «положение – код»

 

ФИ – представляет собой две системы круговых штриховых дорожек на стеклянном диске, сдвинутых одна относительно другой на одну четверть длинны одной метки (штрих + пусто). Преобразователь “положение – код” строится для ФИ – датчика как реверсивный счетчик. Направление счета в преобразователе на основе   ФИ – датчика должно определятся по очередности поступления сигналов с дорожек. Считать, что полный ход механической части манипулятора обеспечивается за 1000 оборотов вала двигателя оси. Учет числа полных оборотов допускается вести как программно, так и аппаратно.

      

Преобразователь «положение – код» строится по схеме накапливающего типа, с реверсивным счётчиком. Схема показана на рис. 2.5 а). Схема работает следующим образом. На логическую схему поступают импульсы с двух фотоприёмников (1 и 2). Фотоприёмники конструктивно расположены так, что в случае вращения КД в положительном направлении первым выдаёт импульс ФП1, а при отрицательном (противоположном) направлении – ФП2. При получении пары импульсов логическая схема выдаёт импульс на тот вход управления счётом, в каком направлении вращается вал двигателя. Принцип действия иллюстрируют временные диаграммы на рис. 2.6.

За оборот диска с ФИ-датчика на вход счетчика поступит z = 2048 импульсов, для подсчета которых необходим 11-разрядный счетчик. Для построения счетчика используются три 4-разрядных реверсивных счетчика К555ИЕ7. При перемещении звена из одного крайнего положения в другое ФИ-датчик совершит 1000 оборотов. Счёт числа оборотов проводится программным путём.

Рис. 2.6. Временные диаграммы преобразователя «положение – код»

Рис. 2.7. Схема преобразователя «положение – код»

 

2.3.Преобразователь «сопротивление-код»

В основе работы данного преобразователя лежит преобразование сопротивления тензодатчика в напряжение с дальнейшим преобразованием его в восьми разрядный двоичный код.

Преобразователь сопротивление – напряжение построен на операционном усилителе К140УД6 и резисторах R12,R13,R14,R15. При соблюдение равенства  R13·R14 = R12·R15, ток, протекающий через Rx   (Rx-измеряемое сопротивление) не будет зависеть от значения Rx. 

Выходное напряжение будет определяться соотношением:

Uвых=U0·Rx/R3·(R5/R4+1);

Причем U0=5B, а R4=R5=10кОм, тогда R2=R3

R3=U0/Uвых.max·Rx max·(R12/R16+1) = 10000 Ом.

Диапазон измерения сопротивления лежит от 100 до 10000 Ом, что позволяет относительно точно измерить приложенное усилие. Более быстрый результат можно получить с помощью самого распространенного метода последовательных приближений. АЦП, действующий по этому принципу, отличается от следящего АЦП тем, что в нем реверсивный счетчик заменен логическим устройством, присваивающий по очереди  единичное значение каждому разряду на выходе, начиная со старшего разряда. Если результирующий сигнал на выходе ЦАП оказывается меньше входного напряжения, то в этом разряде сохраняется логическая единица, в противном случае он сбрасывается в ноль, и далее схема переходит к следующему разряду. В таком преобразователе на выходе быстро устанавливается цифровой эквивалент входного напряжения.

Время преобразования АЦП К572ПВ3 равно 7,5мкс, ток потребления от одного источника питания 5В, составляет всего 5мА. АЦП имеет два одинаковых входа А11 и А12, соединенных внутренними резисторами с одним и тем же входом компаратора. На этот же вход компаратора полается выходной ток цифро-аналогового преобразователя, управляемого регистром последовательного приближения. Таким образом, АЦП обеспечивает преобразование в код суммы напряжений, подаваемых на входы А11 и А12. При практическом использовании этого АЦП на вход А11 подают входное напряжение Uвх, а на вход А12 – напряжение, с помощью которого производят регулировку АЦП.

Управление работой АЦП К572ПВ3 осуществляется с помощью сигналов, подаваемых на входы CS (выбор кристалла) и RD (чтение). Переход 0/1 на входе RD запускает схему сброса АЦП, потенциал 0 на входе CS осуществляет запуск преобразователя при условии, что предварительно был осуществлен его сброс. Таким образом, если CS=0, то этот переход вызовет только сброс, а запуск произойдет по спаду 1/0 на входе CS. Выход BU (АЦП занят) принимает потенциал.  Схема включения АЦП. “Ноль” тогда, когда осуществляется процесс преобразования. Данные на кодовом выходе N существуют при сочетании сигналов CS=0, RD=0, BU=1. Если же этого сочетания нет, то выход находится в высокоимпедансном состоянии. Для сокращения времени опроса датчика усилия логический вход RD был, подключен к генератору выполненного на двух элементах ТТЛ ИЛИ – НЕ, емкости С3 и подстроечного резистора R17. Частота данного генератора должна составлять 133,3 кГц.

Рассчитаем сопротивление R17, пусть С3 = 100пФ

рис.14. Датчик сопротивление – код.

         

 

3. Описание и работа интерфейса ЕС ПЭВМ / К1810.

Интерфейс  является синхронным системным интерфейсом с раздельными магистралями адреса и данных и с нормальными уровнями сигналов по этим магистралям.

В данном пояснении приводятся временные диаграммы операций чтение/запись.

Во время любой из этих операций в период Т1 на линию адреса выставляются адрес и сигнал ALE (используется лишь в плате процессора), по заднему фронту которого новый адрес появляется на магистрали адреса. Во время периода Т2 в активное состояние переводятся сигнал управления, определяющий (и стробирующий) операцию на магистрали (/IOW/IOR).

Во время операции чтения,например из устройства ввода, информация от устройства должна быть установлена на шинах D0 - D15 не позднее периода Т3. В начале периода Т4 информация считывается процессором, после чего снимается и сигнал /IOR. Для «медленных» устройств, воздействуя на вход I/O CH RDY, можно заставить процессор выполнять такты ожидания TW,во время которых устройства готовят данные для передачи. Такой случай показан на рис.17а. Решение о введении циклов ожидания процессор принимает во время перехода тактовых сигналов Т3 и TW из состояния с низким потенциалом в состояние с высоким потенциалом. Поэтому сигнал I/O CH RDY должен быть сформирован с опережением до этого момента (почти в начале периода) и должен удерживаться некоторое время после.

Отличие цикла записи в устройство вывода от цикла чтения лишь в том, что данные на шину данных выставляет процессор в начале такта Т2 и удерживает их почти до конца такта Т4 (рис.17б). Устройство должно зафиксировать данные по снятию сигнала с линии /IOW.

Тактовая частота CLOC формируется из сигнала OSC путем деления её на 3. Для ЕС ПЭВМ частота OSC равна 12.888 МГц , CLOC – 4.096 МГц, для IBM PC соответственно 14.31818 МГц и 4.77 МГц.

При составлении программ учесть, что для устройств ввода/вывода используется только десятиразрядное адресное пространство, и свободные адреса находятся в пределах с 100 - 1FF , 300 - 31F, 3E0 - 3E7. Для запроса прерываний разрешается использовать линию IRQ2. Прерывание по времени используют адрес 1С.

                          

                                    T1      T2        T3 TW     T4        T1

            CLK

            ALE

                   A0-15

             ___

             IOR

         I/O CH RDY

                   D0-15

                                          

Рис. 17а. Временные диаграммы цикла чтения

* - безразличное состояние

           ____

          IOW

         D0-15

Рис.17б.  Временные диаграммы цикла записи.

Адресация устройств:

                 Слово  

0

0

0

0

0

0

0

1

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Х

Таблица адресуемых устройств:

h

ЧТЕНИЕ

ЗАПИСЬ

Схват

F

УСИЛИЕ

УПР.СП.

C

КНОПКИ

ИНДИКАЦ.

3 звено

B

СКОРОСТЬ

УПР.СП.

9

ЧИСЛО ОБОРОТОВ

УПР.ПОЛОЖ

8

ПОЛОЖЕН

2 звено

7

СКОРОСТЬ

УПР.СП.

5

ЧИСЛО ОБОРОТОВ

УПР.ПОЛОЖ

4

ПОЛОЖЕН

1 звено

3

СКОРОСТЬ

УПР.СП.

1

ЧИСЛО ОБОРОТОВ

УПР.ПОЛОЖ

0

ПОЛОЖЕН


5.Расчет цифрового фильтра

Задана передаточная функция аналогового фильтра

 .

Используем преобразование Эйлера, при котором:

В пункте 3 приняли Tk = 5·10-3 с, m=2.  

с

с

с

В результате проведенной замены получаем выражение

.

В результате подстановки получаем окончательное выражение передаточной функции цифрового фильтра:

.

Перейдем к разностным уравнениям:

    Промоделируем полученную цифровую модель фильтра в программном комплексе «MatLab». Графики моделирования цифрового и аналогового фильтра представлены на рис.7.1.

 

Рис.7.1.Графики моделирования цифрового и аналогового фильтра

В результате моделирования убедились в устойчивости фильтра. Из графиков переходных процессов видно, что при цифровой реализации фильтра появилось перерегулирование величиной 4,7%.

S C

2-2

S C

2-2

C

2-2

S C

2-2

S C

2-2

      Запись                            Чтение

Базовый адрес

Адресация

Данные

* 

* 

*

   *

   *

   *

   *

   *

Адрес

Данные

   *


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

50640. Сканеры безопасности операционных систем 144.5 KB
  Познакомиться на практике со сканером безопасности уровня ОС System Scnner. В данной лабораторной работе будет рассмотрен один из известных сканеров безопасности уровня ОС System Scnner. SYSTEM SCNNER Система анализа защищенности System Scnner S2 разработана американской компанией Internet Security Systems Inc. В отличие от систем Internet Scnner и аналогичных ей таких как XSpider NMp анализирующей уязвимости на уровне сетевых сервисов система S2 анализирует уязвимости на уровне операционной системы.
50641. Найти кинематический закон движения точки 230 KB
  Найти кинематический закон движения точки. Спроецируем точки на координатные оси с учетом масштаба и выпишем таблицу координат точки считая что фотографирование началось при t=0. Окончательно найденный кинематический закон движения материальной точки: x=xt= 296t55 и y=yt= 182t2–25t5 Задание№2. Найти модуль скорости точки в середине интервала наблюдения и углы составляемые вектором скорости с осями координат в этот момент.
50643. Организация баз данных 95 KB
  Создать новый документ и скопировать в него таблицу размещенную на вкладке Упражнение 1 документа Лаб3. Оформить таблицу используя образец на листе Упражнение 1_2 Скрыть промежуточные данные нажав кресты на полоске слева от таблицы. Вид диаграммы можно увидеть на вкладке Упражнение 1_3. Упражнение 2 Скопировать таблицы с листа Упражнение 2 на отдельные листы в свой документ назвав эти листы 1 семестр в него скопировать ячейки B7:H50 и 2 семестр сюда скопировать значения из ячеек J7:P50.
50644. Исследование точности САУ в установившемся режиме 894 KB
  Цель работы: исследование влияния степени астатизма на установившеюся ошибку при ступенчатом воздействии. Структурная и функциональная схемы исследуемой цепи: Переходные характеристики при T1 = 0,2
50645. Жизненный сценарий подростков 217 KB
  В подростковом возрасте у молодых людей активно формируется самосознание, вырабатывается собственная независимая система эталонов самооценивания и самоотношения, всё более развиваются способности проникновения в свой собственный мир, начинается осознание своей особенности и неповторимости.
50648. Определение коэффициента внутреннего трения капиллярным вискозиметром 130.5 KB
  Если по трубке течёт установившийся поток жидкости или газа то отдельные части потока движутся вдоль плавных линий тока форма которых определяется стенками трубки. При увеличении скорости потока даже в прямой трубке линии тока начинают закручиваться в виде вихрей или водоворотов и начинается энергичное перемешивание жидкости. Было установлено что характер течения жидкости зависит от значения безразмерной величины Re которая называется числом Рейнольда. В данной работе он...