CC BY
102
УДК 004.896-027.21; 004.896-027.31
АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММЫ МИКРОКОНТРОЛЛЕРНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫМ РОБОТОМ
А.С. Вакуленко1, В.Д. Сартаков2
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Решается задача разработки системы управления (СУ) роботом «Электроника НЦТМ-01» на основе промышленного микроконтроллера. При решении задачи учтены особенности существующей СУ и предложены перспективные варианты новой СУ, которые позволят сделать СУ более удобной и надежной в работе. Приведены алгоритмы и программы микроконтроллерного управления данным промышленным роботом. Показаны преимущества разработанной системы управления роботом на основе промышленного микроконтроллера. Ключевые слова: система управления; промышленный микроконтроллер; промышленный робот; алгоритм; управляющая программа.
ALGORITHMS AND PROGRAMS OF INDUSTRIAL ROBOT MICROCONTROLLING A.S. Vakulenko, V.D. Sartakov
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The paper solves the problem of developing a control system (CS) for the robot "Elektronika -NCTM-01"on the basis of an industrial microcontroller. When solving the problem the features of the existing control system have been taken into account and promising options for a new CS have been proposed in order to improve its convenience and operational reliability. The algorithms and programs for this industrial robot microcontrolling are provided. The advantages of the developed robot control system based on the industrial microcontroller are shown. Keywords: control system; industrial microcontroller; industrial robot; algorithm; controlling program.
Отечественные промышленные роботы (ПР) первых поколений были изготовлены в 80-х гг. прошлого века и оснащены микропроцессорными устройствами управления на основе микроЭВМ «Электроника 60М» или программно-совместимых с ней вычислительных комплексов. К настоящему времени системы управления ПР устарели морально и физически (например, «Электроника НЦТМ-01»). Манипуляторы отечественных ПР частично сохранили свою рыночную привлекательность и остаются до сих пор достаточно надежными устройствами, которые можно уверенно отнести к классу сложных механических систем. Также высоко можно оценить качество функций, выполняемых штатным блоком интерфейса ПР. Существенным недостатком существующей системы управления ПР является сложность процесса хранения управляющих программ и их быстрой модификации при изменении алгоритма движения звеньев [1].
На рынке микропроцессорной техники в нашей стране существуют современные образцы универсальных и встраиваемых промышленных микроконтроллеров (ПМК), отличающиеся высокой надежностью в работе в производственных условиях. Среди них - универсальные ПМК семейства S7-200, разработанные фирмой Siemens, характеризуются развитым интерфейсом для связи с системами электроприводов, конечными и путевыми датчиками ПР. В связи с
этим решение задач, посвященных существенной модернизации систем управления отечественных ПР, является актуальным.
Манипулятор ПР «Электроника НЦТМ-01» конструктивно выполнен по модульному принципу, т.е. состоит из узлов, обеспечивающих заданные функции работы робота: А - механизм горизонтального перемещения (вдоль оси X), называемый платформой манипулятора; С - механизм горизонтального перемещения (вдоль оси X или У в зависимости от состояния механизма В), установленный на платформе и называемый рукой манипулятора; В - механизм поворота руки манипулятора на 90° (вокруг оси 2); й - механизм вертикального перемещения захватных устройств (вдоль оси 2); М - механизм захватного устройства 1; N - механизм захватного устройства 2; Е - механизм поворота захватных устройств (вокруг оси, расположенной под углом 45° к оси 2). Большинство механизмов манипулятора обеспечено начальными и конечными фотоэлектрическими и магнитоуправляемыми датчиками. Механизмы звеньев А, С и й манипулятора снабжены также импульсными фотоэлектрическими датчиками пути. Для повышения точности позиционирования механизмы А, С и й манипулятора обеспечены электрическими тормозами. Электропривод механизмов А, С и й состоит из двух двигателей постоянного тока типа ДМП-35-Н1-ОД с постоянными маг-
1 Вакуленко Александр Сергеевич, студент, тел.: 89086681752. Vakulenko Aleksandr, Student, tel.: 89086681752.
2Сартаков Валерий Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: (3952) 410160.
Sartakov Valery, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Electric Drive and Electric transport, tel.: (3952) 410160.
нитами и двух тормозных муфт. Силовой преобразователь для плавного регулирования скорости не предусмотрен. В качестве передаточного устройства использована шариковая винтовая пара.
Грузоподъемность манипулятора не превышает 2 кг. Перемещение по осям X, У и Z составляет не менее 220 мм. Погрешность позиционирования находится в пределах до 0,5 мм. Скорость перемещения по осям X и Z равна 50 мм/с, а по оси У - 100 мм/с.
Авторами разработана модернизированная система управления промышленного робота. После проведения модернизации система управления ПР «Электроника НЦТМ-01» имеет блок интерфейса (БИ), обеспечивающего взаимосвязь между микроЭВМ, электроприводами и датчиками ПР. Структура и конструкция модернизированного БИ промышленного робота позволяют осуществить управление механизмами манипулятора от промышленного микроконтроллера с минимальными аппаратными изменениями. Условно БИ модернизированной системы управления промышленного робота «Электроника НЦТМ-01» можно представить состоящим из двух частей. Первая (основная) часть является штатным устройством «прежней» системы управления ПР и работает с входными сигналами датчиков, равными 5 В. Вторая (дополнительная) часть, которая предназначена для повышения уровня входных дискретных сигналов до величины 24 В, разработана и изготовлена авторами. Для управления механизмами ПР в ручном режиме предусмотрен пульт дистанционного управления (ПДУ).
На рис. 1 представлена функциональная схема модернизированного ПР «Электроника НЦТМ-01». Центральный процессорный модуль (CPU) состоит из процессорного сегмента (ПС) системы управления ПР,
узла дискретных входов (Двх) узла дискретных выходов (Двых). CPU является базовой конфигурацией ПМК. Персональный компьютер (ПК) выполняет роль программатора, с помощью которого создаются управляющие программы (УП), сохраняющиеся в памяти ПМК перед их выполнением. Разработка УП осуществляется в среде программного продукта STEP 7-Mikro/WIN (фирма Siemens). Виртуальные выходные дискретные сигналы, вырабатываемые процессорным сегментом при выполнении УП, поступают в узел дискретных выходов и реализуются в нем в виде срабатывания физических выходов (реальных контактов или транзисторных ключей). Блок интерфейса производит согласование уровней выходных сигналов узла Двых с элементами управления электроприводами механизмов ПР. Каждый механизм А, В, С и D манипулятора снабжен двумя фотоэлектрическими начальным и конечным датчиками. Для измерения пройденного пути механизмы А, С и D также обеспечены импульсными фотоэлектрическими датчиками положения ДП, относящимся к типу относительных ДП. Общее число фотоэлектрических датчиков равно 10. На рис. 2 представлена функциональная схема модернизированного блока интерфейса системы управления ПР.
Информация о состоянии механизмов А, В, С и D поступает в дополнительную часть модернизированного БИ для согласования уровней выходных сигналов датчиков механизмов с сигналами узла Двх микроконтроллера.
Выходные напряжения датчиков ПР (ДА, ДВ, Дс, Д^ находятся в пределах от 0 до 5 В, а напряжения на входах ПМК в соответствии с техническими характеристиками должны быть в пределах от 15 до 30 В.
Для согласования уровней выходных сигналов датчиков механизмов с сигналами узла Двх микро-
Рис. 1. Функциональная схема системы управления модернизированного ПР «Электроника НЦТМ-01»
контроллера разработан и изготовлен авторами статьи модуль усилителей с выходными напряжениями 24 В, установленный в дополнительной части модернизированного БИ. Общее число усилителей в дополнительной части модернизированного БИ равно числу фотоэлектрических датчиков механизмов ДА, ДВ, ДС, До ПР (10 усилителей).
["Дополнительная I . часть 1 БИ ,
к ЭД
>
от
/I датчиков
\г-—'
Рис. 2. Функциональная схема блока интерфейса системы управления модернизированного ПР
У механизма й отсутствует конечный датчик, а механизм В не имеет датчика пути. При управлении механизмами манипулятора управляющая программа (УП) в каждом цикле сканирования обращается к узлу Двх и учитывает состояние механизмов ПР при реализации сегментов УП.
Управление электродвигателями МА, МВ, МС и Мо механизмов манипулятора осуществляется с помощью реле, установленных в штатной части блока интерфейса БИ. Реверс производится изменением полярности напряжения, приложенного к якорю двигателя, а уменьшение скорости движения механизма снижением этого напряжения с 24 В до 15 В. Для работы штатной части блока интерфейса «прежней» системы управления требуются инверсные сигналы управления электроприводами механизмов ПР. Для инвертирования сигналов управления в дополнительной части БИ установлен модуль для 24 инверторов. На рис. 3 представлена принципиальная схема 4 инверторов для управления механизмами А и В.
001
Рис. 3. Принципиальная схема узла инверторов выходных сигналов ПМК для механизмов А и В в дополнительной части БИ системы управления модернизированного ПР «Электроника НЦТМ-01»
Модернизированная система управления промышленного робота конструктивно выполнена в виде двух частей. Первая часть - это штатный блок с размерами 1462*698*295 мм, включающий в себя штат-
ный интерфейс «прежней» системы управления и крейт для микроЭВМ «Электроника-60М». Авторами проекта модернизации дополнительная часть БИ конструктивно была выполнена в виде пяти плат с печатным монтажом, установленных на задней стороне штатного интерфейса. Для питания усилителей и инверторов дополнительной части БИ используются источники питания с напряжениями +5 В и +24 В, установленные в корпусе микроЭВМ «Электроника-60М», являющиеся конструктивной частью «прежней» системы управления ПР. Составные части микроЭВМ «Электроника-60М» удалены из ее крейта.
Для микроконтроллерного управления промышленным роботом был выбран ПМК типа S7-224XP. Базовый модуль микроконтроллера (CPU) имеет 14 встроенных дискретных входов, 10 встроенных дискретных (релейных) выходов, 3 встроенных аналоговых входов (АЦП) и один встроенный аналоговый выход (ЦАП). АЦП и ЦАП в данном проекте не используются. Для управления пневмодвигателями механизмов E, M и N в состав ПМК включен дополнительный модуль с 4 дискретными (релейными) выходами.
Программы микроконтроллерного управления промышленным роботом для ПМК семейства S7-200 могут создаваться на трех специализированных языках программирования, являющихся стандартными для стран ЕС. Среди них: язык LADDER, называемый языком релейной логики, язык FBD (язык функциональных диаграмм) и язык STL (язык структурированного текста).
При создании программ для управления электроприводами промышленных установок наиболее доступен и пригоден язык релейной логики. Рассмотрим алгоритм (рис. 4) и фрагмент управляющей программы (рис. 5), позволяющие произвести установку звеньев манипулятора в исходное состояние, которое можно условно назвать «парковкой». Алгоритм включает «автономные» блоки «припарковки» звеньев (подрограммы). Сначала осуществляется «припарковка» звена «А». Пока эта операция не завершится, следующая не начинается. Завершение «припарковки» звена оценивается по срабатыванию конечного или начального датчика звена. «Текст» управляющей программы (рис. 5), реализующей «припарковку» звена на специализированном языке релейной логики, отличается компактностью и простыми, понятными инженеру, командами управления. Целесообразно для оптимальной структуризации алгоритма УП использовать команды обращения к подпрограммам.
В рассматриваемой УП в качестве «датчика» окончания «припарковки» звена используется датчик исходного состояния звена ПР (начальный фотоэлектрический датчик), имеющий адрес в области памяти дискретных входов I, срабатывание которого запоминается с помощью битовой команды «R-S триггер», условно в данном случае названной «триггер-датчик». Для всех звеньев ПР адреса для таких команд «R-S триггер» выбраны в области меркеров. Механизму А соответствует адрес М0.0 битовой команды «S-R триггер», для звена С зарезервирован адрес М0.2, звену В соответствует адрес М0.4, а звену D - адрес М0.6.
д
д
Когда «триггер-датчик» для предыдущего звена устанавливается в состояние логической 1, разрешается «припарковка» для следующего звена. Это происходит, когда срабатывает начальный датчик «припаркованного» механизма. Для начальных датчиков всех звеньев ПР выбраны следующие адреса: механизму А соответствует адрес Ю.1, для звена С зарезервирован адрес Ю.6, звену В соответствует адрес Ю.3, а звену D - адрес И.1. В начальной части УП производится обнуление битов с адресами М0.0-М0.7.
Рис. 4. Блок-схема алгоритма «припарковки» модернизированного ПР «Электроника НЦТМ-01»
Рис. 5. Фрагмент управляющей программы
«припарковки» звена ПР «Электроника НЦТМ-01»
Подпрограмма «припарковки» механизма А (рис. 5) включает битовые команды ввода дискретного сигнала I0.1, вывода дискретного сигнала Q0.0, псевдоуправляющего виртуального сигнала М0.0 и команду RET выхода из подпрограммы. После входа в подпрограмму выполняется битовая команда «дискретный выход Q0.0», срабатывает соответствующее реле в штатном интерфейсном блоке системы управления ПР, и звено А приходит в движение. ЭД механизма А звена ПР будет включен до тех пор, пока не сработает битовая команда «дискретный вход 10.1» (начальный датчик механизма А). Этот факт запоминается с помощью команды «виртуальный триггер-датчик» с адресом М0.0. Каждому звену присваиваются определенные адреса дискретного выхода Q, дискретного входа I и «виртуальный триггер-датчик» М.
В начале выполнения подпрограммы «припарковки» механизма А вырабатывается выходной дискретный сигнал Q0.0, с помощью которого подключается напряжение к якорю ЭД механизма А. С этого момента механизм ПР приводится в движение. При «наезде» на начальный датчик срабатывает битовый сигнал I0.1, который устанавливает «S-R триггер» в состояние логической 1 (т.е. виртуальный бит М0.0 «замыкается») и происходит выход из подпрограммы.
Для реализации несложных управляющих программ для всех механизмов ПР «Электроника НЦТМ-01» достаточно использовать ресурсы базового блока микроконтроллера S7-224ХР (модуль центрального процессора CPU). При усложнении задач управления число дискретных входов и выходов, имеющихся в базовом модуле ПМК, будет недостаточным. Конфигурация микроконтроллера может быть изменена за счет добавления дополнительных модулей дискретных входов ЕМ 221 и выходов ЕМ 222 или модуля дискретных входов-выходов ЕМ 223.
В программы управления позиционированием механизмов ПР включаются команды «счетчик на увеличение» (CTU) или «счетчик на уменьшение» (CTD) для контроля пройденного пути, отсчитываемого числом
«дискрет пути». Для ПР «Электроника НЦТМ-01» «дискрета датчика пути» равна 0,4 мм. Если механизм звена промышленного робота перемещается на расстояние 10 мм, то фотоэлектрический импульсный датчик пути (ФИДП) вырабатывает 25 импульсов. На рис. 6 представлен фрагмент алгоритма УП для реализации позиционирования механизма С. На рис. 7 приведена программа управления позиционированием механизма А при движении «вперед» на 5 шагов (2 мм).
С^Конец)
Рис. 6. Блок-схема фрагмента алгоритма программы движения механизма С промышленного робота на заданное расстояние
Для повышения точности позиционирования механизмы А, С и D манипулятора обеспечены электрическими тормозами. Силовые преобразователи для плавного регулирования скорости электроприводов механизмов А, С и D не предусмотрены. Это отражается на точности позиционирования механизмов ПР, так как останов двигателя осуществляется отключением питания якоря ЭД и отключением питания от электротормозных муфт, что приводит к наложению тормоза.
Точность позиционирования механизмов ПР находится в пределах цены одной дискреты импульсного датчика пути и таким образом равна 0,4 мм. Если тормоз не срабатывает, то погрешность позиционирования увеличивается в 2 и даже 3 раза. Это происходит в результате влияния механической инерции звена. Чем больше вес элементов механизма звена, тем больше электромеханическая постоянная времени ТМ системы электропривода звена
Т =J-RL с2 ■
Программное управление может осуществляться движением одновременно нескольких звеньев.
При пуске программы (рис. 7), если содержимое виртуального счетчика С7 не равно 5, а механизм не находится в крайних положениях, при которых срабатывают начальный и конечный датчики, битовые команды С7, I0.1 и I0.2 «не срабатывают» в Network 2. Следовательно, логическая 1 с линии питания (в левой части рисунка) поступает на команду «выход» Q0.1, и виртуальное реле Q0.1 в программе срабатывает. Физическое реле Q0.1 (в модуле CPU) подключает питание к обмотке якоря ЭД механизма А (механизм находится в движении). При каждом шаге механизма равном 0,4 мм дискретный датчик пути I0.0 вырабатывает импульсный сигнал логической 1, который также устанавливает триггер М0.0, в состояние логической 1. Это приводит к увеличению содержимого виртуального счетчика С7 на единицу. После пяти срабатываний дискретного датчика пути I0.0 битовый сигнал С7 (в Network 2) устанавливается в состояние
Рис. 7. Программа управления позиционированием механизма А при движении «вперед» на 5 шагов (2 мм)
логического 0. Это вызывает отключение реле 00.1 и остановку ЭД механизма А.
Анализ результатов работы показывает, что уровень, качество и надежность системы управления промышленным роботом на основе микроконтроллера повысились. Наибольший эффект от применения
промышленного микроконтроллера получен в области подготовки программ управления ПР, что сделало этот процесс удобным и легко реализуемым. Любые разработанные программы управления можно сохранять в памяти программатора.
Статья поступила 05.03.2015 г.
Библиографический список
1. Сартаков В.Д., Заводовский А.Р., Чубенко Н.В. Анализ ства и использования энергии в условиях Сибири: материа-проблем при модернизации системы управления промыш- лы Всерос. науч.-практ. конф. Иркутск, 2012. С. 69-73. ленным роботом // Повышение эффективности производ-
УДК 621.98.042
ОБ ОСОБЕННОСТЯХ ПРИМЕНЕНИЯ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ И ЗАРУБЕЖНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ОБШИВОК И ПАНЕЛЕЙ САМОЛЕТОВ
© А.Е. Пашков1
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
На основе результатов выполненных НИОКТР и анализа открытых публикаций приведено описание некоторых особенностей разработанной комплексной технологии формообразования длинномерных обшивок и панелей самолетов в сравнении с зарубежными аналогами. Разработанная технология представляет сочетание операций гибки в продольном направлении, дробеударного формообразования путем обработки наружной поверхности детали, зачистки обработанной дробью поверхности и дробеударного поверхностного упрочнения. Применение данной технологии позволяет полностью исключить искажение формы детали после поверхностного упрочнения. Это достигается использованием оборудования с ЧПУ, обеспечивающего стабильное НДС детали на всех стадиях процесса. Режимы операций поверхностной обработки назначаются так, чтобы обеспечить заданную поперечную кривизну детали и компенсировать нежелательную деформацию детали при получении продольной кривизны на операции гибки.
Ключевые слова: панель; обшивка; комплексная технология; дробеударное формообразование; поверхностное упрочнение.
ON APPLICATION FEATURES OF DOMESTIC AND FOREIGN TECHNOLOGY OF AIRCRAFT SKIN AND PANEL FORMING A.E. Pashkov
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Some features of the developed complex technology of aircraft long skins and panels forming are compared with foreign analogues on the basis of the results of performed R&D and the analysis of the open publications. The developed technology is a combination of longitudinal bending, shot peen forming by treating the outer surface of the part, conditioning of the shot peened surface and surface hardening by shot peening. Application of this technology allows to eliminate the distortion of parts after peening. This is achieved through the use of CNC equipment ensuring stable VAT of parts at all stages of the process. Modes of surface treatment operations are set in such a manner as to achieve a desired transverse curvature of a part and compensate undesired deformation of a part when it obtains longitudinal curvature under bending.
Keywords: panel; skin; complex technology; shot peen forming; surface hardening.
Задача формирования новых компетенций российской авиационной промышленности в области производства крупногабаритных панелей, отмеченная как приоритетная в ФЦП «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года», на сегодняшний день в масштабах отрасли не имеет полного решения. Несмотря на очевидные макроэкономические изменения по-
следних лет, в технологических кругах ряда организаций по-прежнему сохраняется тенденция к решению проблемных вопросов производства отечественных самолетов путем приобретения зарубежного оборудования [4]. В то же время в отечественной практике имеются готовые решения, позволяющие реализовать технологию формообразования панелей и обшивок с показателями, не уступающими зарубежным. Данные
1 Пашков Андрей Евгеньевич, доктор технических наук, профессор кафедры оборудования и автоматизации машиностроения, тел.: +79148876386, e-mail: aepashkov@mail.ru
Pashkov Andrei, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Equipment and Automation of Mechanical Engineering, tel.: +79148876386, e-mail: aepashkov@mail.ru
