Введение

      В современном мире уже не обойтись без применения новейших технологий практически во всех сферах. В основном, это внедрение в нашу жизнь систем автоматизации, позволяющих облегчить труд человека и увеличить как научный, так и технологический уровень знаний. При появлении ЭВМ, внедрение подобных систем стало наиболее востребованным и актуальным. Это связано с высокой потребностью в системах автоматического управления, как на производстве, так и в повседневной жизни.

      И на практике большое применение получило программное управление тем или иным устройством. Шаговые двигатели широко используются в принтерах, автоматических инструментах, приводах дисководов, автомобильных приборных панелях и других приложениях, требующих высокой точности позиционирования и микропроцессорного управления. Как известно, такое управление требует использования специальной логики и высокоточных драйверов, которые могут быть реализованы на дискретной элементной базе, что увеличивает сложность схемы и ее стоимость.

      Особого внимания заслуживают станки с числовым программным управлением (ЧПУ). Их роль на сегодняшний день велика, поскольку  они могут облегчить труд человека благодаря высокой точности, безотказности  и практичности.

      Исследователям, разработчикам и специалистам системотехникам нужна большая открытость управляющих систем. Такая открытость значительно облегчит проектирование, создание и быстрое встраивание функциональных возможностей, что позволит удовлетворить постоянно растущие практические потребности применений программируемых контроллеров. Несмотря на то, что некоторые из поставщиков систем управления для роботов снабжают свою продукцию настраиваемыми средствами разработки, более предпочтительными являются недорогие и незапатентованные решения в плане быстрого реагирования на изменения рынка и уменьшения стоимости их жизненного цикла. Наиболее важными факторами успеха являются использование распространенной элементной базы и программного обеспечения с открытым кодом (по возможности, свободно распространяемого). В свою очередь, дизайн программного обеспечения должен быть сфокусирован на максимальной портативности и возможности реконфигурации.

      Целью данной дипломной работы является создание программно-аппаратного комплекса с ЧПУ управлением, удовлетворяющего всем вышеприведенным требованиям. Комплекс ЧПУ позволяет выполнять множество задач, которые могут быть поставлены в зависимости от фантазии обладателя. Конечной целью данной работы является создание таких модулей управления и аппаратных частей, которые будут выполнять следующее:

      - сверление отверстий для изготовления печатных электронных плат, автоматически управляя  ПК;

      - ручное управление комплексом с ЧПУ средствами ЭВМ;

      - перенос изображений с ПК на  обрабатываемый материал путем  термической обработки.

      Для реализации такого программно-аппаратного  комплекса необходимо решить следующие задачи:

      а) изучить механические технологии для создания рабочей физической области станка;

      б) разобраться с принципом управления шаговых двигателей;

      в) изучить архитектуру и работу микроконтроллеров серии Atmel;

      г) изучить режим обмена данными  через интерфейс RS232;

      д) разработать физическую аппаратную часть комплекса с минимальным количеством необходимых материалов и агрегатов;

      е) разработать плату управления физической частью комплекса и взаимодействия с ПК, непосредственно через интерфейс RS232, на базе микроконтроллера Atmel;

      ж) разработать программу для микроконтроллера, обеспечивающую правильную работу комплекса;

      з) создать программную часть комплекса  на ПК, обеспечивающую следующие операции:

      - сверление;

      - выжигание;

      - ручное управление;

      и) ознакомиться с новейшими компьютерными симуляторами электронных устройств для тестирования аппаратно-программного комплекса. 
 

 

      

      Глава I. Сущность построения программно аппаратных комплексов с числовым программным управлением

      §1.1. Оборудование с числовым программным управлением. Назначения, функции, существующие решения и модели

      Для введения в курс дела, определимся  с основными терминами и значениями.

      Числовое  программное управление или ЧПУ — означает компьютеризованную систему управления, считывающую инструкции в G-code (технический формат данных для систем ЧПУ, описан далее) и управляющую станочной оснасткой и приводами металлообрабатывающих станков. ЧПУ производит интерполяцию движения обрабатывающего инструмента в соответствии с управляющей программой.

      Это одно из многих определений числового  программного управления, взятое из материалов википедии [24], в дальнейшем ЧПУ.

      То  есть основной отличительной функциональностью  ЧПУ является компьютеризированная система управления, которая подразумевает наличие управляемого оборудования и управляющего терминала. В нашем случае, управляемым оборудованием будет многофункциональный станок на основе управления с ЧПУ и управляющим терминалом – ЭВМ со специальным программным комплексом.

      Для решения поставленной задачи, необходимы методы с их алгоритмами управления систем с ЧПУ. Для решения конкретной задачи необходимо организовать взаимодействие следующих элементов комплекса:

      - шаговый двигатель, далее ШД;

      - механическая часть комплекса;

      - силовые ключи управления ШД;

      - автономный терминал управления  силовыми ключами, контроллер  с возможностью автономной работы  без участия ЭВМ и вмешательства оператора;

      - модуль формирования команд, отправляемых  на контроллер для управления  аппаратным комплексом;

      - интерфейс обмена данными между модулем управления и управляемым контроллером;

      - линии приема-передачи информации  между управляющим модулем и аппаратным комплексом.

        Существуют промышленные комплексы, позволяющие выполнять множество задач, требующих большую точность и большое количество операций с соблюдением строгих стандартов. В таких случаях, подобные системы намного упрощают и ускоряют работу в той или иной сфере. Большинство подобных систем ориентированы на обработку всевозможных материалов, начиная от гипса и заканчивая высокопрочными стальными изделиями. Также  ЧПУ применяют в астрономической, авиационной, космической индустрии. Это сферы деятельности, в которых точность и оперативность играет главную роль.

      §1.2. Шаговый двигатель. Устройство, принцип работы, управление

      Шаговые двигатели широко используются в  принтерах, автоматических инструментах, приводах дисководов, автомобильных приборных панелях и других приложениях, требующих высокой точности позиционирования и микропроцессорного управления. Как известно, такое управление требует использования специальной логики и высокоточных драйверов, которые могут быть реализованы на дискретной элементной базе, что увеличивает сложность схемы и ее стоимость.

      Небольшие шаговые двигатели часто используются, например, в автомобильных приборных  панелях (инструментальных кластерах) и выполняют там функции вращения стрелок спидометра, тахометра, указателя температуры охлаждающей жидкости и уровня топлива. При этом по сравнению с традиционно используемыми гальванометрическими системами отсутствует вибрация стрелки, увеличивается точность показаний.

      Двигатели постоянного тока (ДПТ) начинают работать сразу, как только к ним будет приложено постоянное напряжение [19], [20]. Переключение направления тока через обмотки ротора осуществляется механическим коммутатором - коллектором. Постоянные магниты при этом расположены на статоре. Шаговый двигатель может быть рассмотрен как ДПТ без коммутатора. Обмотки его являются частью статора. На роторе расположен постоянный магнит или, для случаев с переменным магнитным сопротивлением, зубчатый блок из магнитомягкого материала. Все коммутации производятся внешними схемами. Обычно система мотор - контроллер разрабатывается так, чтобы была возможность вывода ротора в любую, фиксированную позицию, то есть система управляется по положению. Цикличность позиционирования ротора зависит от его геометрии.

      Принято различать шаговые двигатели и серводвигатели. Принцип их действия во многом похож, и многие контроллеры могут работать с обоими типами. Основное отличие заключается в количестве шагов на цикл (один оборот ротора). Серводвигатели требуют наличия в системе управления аналоговой обратной связи, в качестве которой обычно используется потенциометр. Ток в этом случае обратно пропорционален разности желаемого и текущего положений. Шаговые двигатели преимущественно используются в системах без обратных связей, требующих небольших ускорений при движении.

      Шаговые двигатели (ШД) делятся на две разновидности: двигатели с постоянными магнитами  и двигатели с переменным магнитным  сопротивлением (гибридные двигатели). С точки зрения контроллера отличие  между ними отсутствует. Двигатели с постоянными магнитами обычно имеют две независимые обмотки, у которых может присутствовать или отсутствовать срединный отвод (см. рис.1.2.1).

        
Рис.1.2.1 Униполярный ШД с постоянными магнитами.

      Биполярные  шаговые двигатели с постоянными  магнитами и гибридные двигатели  сконструированы более просто, чем  униполярные двигатели, обмотки  в них не имеют центрального отвода (см рис.2.2.2).

        
Рис.2.2.2 Биполярный и гибридный ШД.

      За  это упрощение приходится платить  более сложным реверсированием  полярности каждой пары полюсов мотора.

      Шаговые двигатели имеют широкий диапазон угловых разрешений. Более грубые моторы обычно вращаются на 90° за шаг, в то время как прецизионные двигатели могут иметь разрешение 1,8° или 0,72° на шаг. Если контроллер позволяет, то возможно использование полушагового режима или режима с более мелким дроблением шага (микрошаговый режим), при этом на обмотки подаются дробные значения напряжений, зачастую формируемые при помощи ШИМ - модуляции.

      Если  в процессе управления используется возбуждение только одной обмотки  в любой момент времени, то ротор  будет поворачиваться на фиксированный угол, который будет удерживаться, пока внешний момент не превысит момента удержания двигателя в точке равновесия.

      Для правильного управления биполярным шаговым двигателем необходима электрическая  схема, которая должна выполнять  функции старта, стопа, реверса и изменения скорости. Шаговый двигатель транслирует последовательность цифровых переключений в движение. "Вращающееся" магнитное поле обеспечивается соответствующими переключениями напряжений на обмотках. Вслед за этим полем будет вращаться ротор, соединенный посредством редуктора с выходным валом двигателя.

      Каждая  серия содержит высокопроизводительные компоненты, отвечающие все возрастающим требованиям к характеристикам  современных электронных применений.

      Схема управления для биполярного шагового двигателя требует наличия мостовой схемы для каждой обмотки. Эта схема позволит независимо менять полярность напряжения на каждой обмотке. На рис.3.2.3 показана последовательность управления для режима с единичным шагом.

        
Рис.3.2.3 Управляющая последовательность для режима с единичным шагом.

      На  рис.4.2.3 показана последовательность для полушагового управления.

        
Рис.4.2.3 Управляющая последовательность для режима с половинным шагом.

    §1.3. Архитектура микроконтроллеров. Необходимые параметры

    МК  это микросхема (чип, камень, IC) - которая  в ответ на внешние электрические сигналы действует в соответствии: