Разработка системы управления роботом

 

РЕФЕРАТ 

      В данной выпускной бакалаврской работе была произведена разработка системы  управления роботом. Для этого требовалось  обеспечить управление двигателем постоянного  тока, приводящим робот в движение, с персонального компьютера. По предложению технического руководителя были выбраны следующие управляющие звенья: программируемый логический контроллер ОВЕН ПЛК 150УL и микроконтроллер MSP430C1101 для формирования управляющего сигнала с ШИМ; было решено, что помимо этих звеньев для визуализации проекта будет применен микроконтроллер PIC16F628A.

     Управление  осуществлялось по следующему принципу:

     – оператор на персональном компьютере, к которому через интерфейс RS-232 был  подключен программируемый логический контроллер, мог увеличить или  уменьшить частоту вращения двигателя, подавая управляющий сигнал, характеризующий  изменение значения скважности ШИМ;

     – этот сигнал подается на микроконтроллер  MSP430C1101. Во время передачи управляющего сигнала загораются определенные светодиоды, сигнализирующие о работоспособности управляющего механизма;

     – в зависимости от управляющего сигнала  на MSP430C1101 изменяется длительность рабочего импульса (скважность сигнала), сформированного модулем таймера Timer_A. Сигнал с ШИМ подается на драйвер, который управляет двигателем постоянного тока. При необходимости может быть включен режим реверса. Так как изменяется скважность сигнала управления, то изменяется и средняя мощность, подаваемая на двигатель, что и определяет скорость вращения двигателя постоянного тока.

     – к двигателю подключен фотоимпульсный датчик, соединенный с ОВЕН ПЛК 150УL. Программное обеспечение ПЛК организовано так, что при движении с каждым изменением входного сигнала происходит прибавление "1" в счетчике. Таким образом, в ОВЕН ПЛК 150УL накапливается значение, пропорциональное

пройденному расстоянию робота.

     Помимо  этого, для тестирования интерфейса RS-232 и протокола USART, были разработаны алгоритм и программа для связи персонального компьютера с микроконтроллером PIC16F628A через приемопередатчик MAX232. При каждом сбросе микроконтроллера управляющая программа передает на персональный компьютер строку ASCII символов.

     В ходе выполнения работы была спроектирована схема электрическая принципиальная устройства управления двигателем постоянного тока с перечнем элементов, схема электрических соединений, сборочный чертёж устройства управления двигателем постоянного тока и спецификацию к нему, и конструкция печатной платы.

 

СОДЕРЖАНИЕ 

 

 

ВВЕДЕНИЕ 

     Промышленные  роботы применяются в промышленном производстве и научных исследованиях. В большинстве случаев под промышленным роботом подразумеваются автоматические программно-управляемые манипуляторы, выполняющие рабочие операции со сложными пространственными перемещениями.

     Основными задачами промышленных роботов являются перемещение массивных или крупногабаритных грузов, точная сварка, покраска, а также сортировка продукции.

     Манипулятор промышленного робота имеет от 2-х  до 6-ти степеней свободы и может  перемещать грузы до нескольких сот  килограммов в радиусе до нескольких метров.

     Промышленные  роботы пригодны для использования  во многих отраслях производства. При  снижении стоимости промышленных роботов  они становятся доступны не только крупным заводам, но и средним  предприятиям, занимающимся производством. На многих предприятиях России промышленные роботы внедряются в производство.

     Тенденция увеличения парка промышленных роботов  в современном производстве обусловлена  рядом объективных факторов. Как  правило, это увеличение производительности труда при сохранении высокого качества продукции и возможность быстрого реагирования на изменения объектов производства и потребительского рынка.

     Серьезными  стимулами роста инвестиций в  производство и применение промышленных роботов являются:

     – непрерывное снижение стоимости промышленных роботов на фоне роста стоимости рабочей силы;

     – недостаток квалифицированной рабочей силы;

     – освобождение работающих на производстве от тяжелого, интенсивного и 

     монотонного труда;

     – возможность улучшения экологической обстановки и снижения вредного влияния производства, особенно сварочного, на здоровье производственного персонала;

     – повышение точности выполнения технологических операций и, как следствие, улучшение качества;

     – возможность использования технологического оборудования в три смены 365 дней в году;

     Промышленный  робот может непосредственно подчиняться командам оператора, работать по заранее составленной программе либо следовать набору общих указаний с помощью технологии искусственного интеллекта.

     Электрический привод (сокращенно – электропривод) – это электромеханическая система для приведения в движение исполнительных механизмов рабочих машин и управления этим движением в целях осуществления технологического прогресса.

     Современный электропривод – это совокупность множества электромашин, аппаратов и систем управления ими. Он является основным потребителем электрической энергии (до 60 %) и главным источником механической энергии в промышленности.

     Двигатели разделяют на виды: 

     - Нерегулируемые, простейшие, предназначенные  для пуска и остановки двигателя, работающие в односкоростном режиме;

     - Регулируемые, предназначенные для  регулирования частоты вращения  и управления пуском и торможением  электродвигателя для заданного  технологического процесса;

     -Неавтоматизированные;

     -Автоматизированные.

     Автоматизированный электропривод в настоящее время получил широкое применение во всех сферах жизни и деятельности общества – от сферы промышленного производства до сферы быта.

     Современный электропривод содержит в своем  составе систему автоматического  управления, которая в простейших случаях осуществляет пуск, отключение двигателя и его защиту, а в более сложных управляет технологическим процессом приводимого в движение механизма. Характерная тенденция в развитии современного машиностроения и производства – упрощение кинематических цепей механизмов при усложнении и совершенствовании систем управления их электроприводами. Происходит постоянное расширение области применения регулируемого электропривода, главным образом за счет количественного и качественного роста регулируемых электроприводов переменного тока.

     Рост  степени интеграции в микропроцессорной  технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным набором специализированных периферийных устройств, сделали необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управления приводами на системы прямого цифрового управления. Под прямым цифровым управлением понимается не только непосредственное управление от микроконтроллера каждым ключом силового преобразователя (инвертора и управляемого выпрямителя, если он есть), но и обеспечение возможности прямого ввода в микроконтроллер сигналов различных обратных связей (независимо от типа сигнала: дискретный, аналоговый или импульсный) с последующей программно-аппаратной обработкой внутри микроконтроллера. Таким образом, система прямого цифрового управления ориентирована на отказ от значительного числа дополнительных интерфейсных плат и создание одноплатных контроллеров управления приводами.

     Регулирование скорости – это принудительное изменение скорости электропривода, в зависимости от требований технологического процесса.

     Регулирование угловой скорости двигателя постоянного  тока может осуществляться несколькими  способами:

     1. Регулирование с помощью сопротивления в цепи якоря. Этот способ применяется при невысоких требованиях к показателям качества регулирования скорости, отличаясь в то же время универсальностью и простотой реализации.

     2. Регулирование изменением магнитного потока. Находит широкое применение в ЭП вследствие простоты его реализации и экономичности, так как регулирование осуществляется в относительно маломощной цепи возбуждения двигателя и не сопровождается большими потерями мощности.

     3. Регулирование изменением напряжения якоря. Изменение частоты вращения происходит в сторону уменьшения от основной, т.к. напряжение, прикладываемое к якорю, в большинстве случаев, может изменяться тоже только вниз от номинального. Плавность регулирования определяется плавностью изменения питающего напряжения.

     4. Импульсное регулирование. На двигатель с помощью импульсного прерывателя периодически подаются импульсы напряжения определенной частоты. В период времени t, когда электронный ключ замкнут, питающее напряжение U подается полностью на якорь двигателя, и ток через него увеличивается. Когда электронный ключ разомкнут, с якоря снимается питающее напряжение. При этом ток якоря уменьшается. Период Т примерно в два раза меньше постоянной времени цепи якоря. Поэтому за время импульса t ток в двигателе не успевает возрасти, а за время T-t уменьшится. Среднее значение напряжения, подаваемого на обмотку якоря U_a=U_cp=U/T=αT, где α=t/T коэффициент регулирования напряжения. Среднее напряжение U_cp, подаваемое на двигатель, регулируют путем изменения либо продолжительности периода Т между подачей управляющих импульсов на электронный ключ при t=const (частотно-импульсное регулирование), либо путем изменения времени t при T=const (широтно-импульсное регулирование). Используют также комбинированное регулирование, при котором изменяется как Т, так и t.

     Целью данной выпускной бакалаврской работе является разработка системы управления промышленным роботом. Требуется обеспечить управление двигателем постоянного тока, приводящим робот в движение, с персонального компьютера.

     Для выполнения поставленной задачи необходимо:

     – определить какие управляющие элементы будут использоваться в данной выпускной бакалаврской работе;