CC BY
7
УДК 004.414.22
Имамутдинов1 А.И., Ермекбаев2 С.Ш., Жумашев? Н.Г.
гФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия 2Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева, Астана, Казахстан
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА МОНТАЖА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МЕХАНИЗМОВ С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ
В данной статье рассмотрена проблема разработки технологии для автоматизации производственного процесса монтажа печатных плат с возможностью применения механизмов с параллельной кинематической структурой (МПКС). Проведено сравнение существующих МПКС. Разработан алгоритм, с выведенными критериями подбора необходимых параметров для проектирования МПКС Ключевые слова:
МЕХАНИЗМ С ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ (МПКС), ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА, АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА
направления, где могут быть использованы механизмы подобного типа. Первоначально механизмы, подобного типа были применены в качестве симу-лятора качки борта судна, а также в авиатренажерах.
Для широкого использования представленных механизмов следует более точно остановиться на таких проблемах, как исследование рабочей области, а конкретно, необходимо понять, опираясь на такие проблемы, как хватает ли рабочего участка для реализации необходимых задач, а также поможет ли применение этого технологического процесса гарантировать автоматизацию монтажа печатных плат.
Ранее отмечено, что широкое применение МПКС ограничено использованием сравнительно небольшого пространства для работы самого оборудования. Эту особенность можно рассматривать как достоинство, так и как недостаток. Следствием достоинства будет являться небольшая емкость оборудования, а недостатка - работа с объектами небольшого размера. Виду ограниченности рабочей области возникает необходимость в точно определенной взаимосвязи между размерами обрабатываемых деталей и габаритами проектируемой машины по их обработке. Так же необходимо принять во внимание и себестоимость изготовленной детали, которая обязана иметь потенциал на снижение, поэтому для определенных задач моделируется собственное оборудование, которое будет максимально универсально в пределах заданного технологического процесса.
Так, в [3] для моделирования платформы Стюарта необходимо заранее знать параметры рабочей площади манипулятора при заданных лимитах границ хода приводов у механизма. Обычно рабочая площадь таких систем представляет из себя сложно конструктивную геометрическую фигуру, которую сложно отразить в технической документации. В [3] был приведен некий способ, подразумевающий сечение рабочей площади в трех ортогональных плоскостях ^х, zy и ух), проходящих через центральную точку платформы изначального положения манипулятора. Данная технология предлагает с небольшими затратами на вычисления дать оценку рабочей площади проектируемого механизма, при учете того, что: ход привода будет ограничен как сверху, так и снизу, а также необходимо чтобы отсутствовали пересечения рабочих частей механизма и он не должен вставать в непредвиденные положения.
Традиционно автоматизация операций технологического процесса является эффективным средством для организации и развития производства, следствием чего повышается качество изготавливаемой продукции. Конечной стадией при производстве изделий приборостроения чаще всего выступают сборочные операции и от надежности их выполнения, в большей мере будет зависеть качество, а также долговечность изготавливаемой продукции.
Автоматизация сборочного процесса позволяет главным образом повысить стабильность качества изготавливаемых изделий, а также улучшить производительный показатель труда.
Особенностью отрасли электронного приборостроения является многолетняя тенденция к миниатюризации изделий. Проблема миниатюризации решается применением точных машин и введением современных технологий при производстве. К нынешним технологиям, на данный момент применяемым в промышленности, в большей степени относится оборудование, принцип работы которого основан на применении механизма параллельной кинематики.
Целью настоящего рассмотрения будет являться разработка технологии автоматизации процессов при производстве и монтаже печатных плат с использованием механизмов с параллельной кинематической структурой (МПКС). В настоящее время для этого сложно-технологичного процесса применены лишь частичные решения для автоматизации производственных процессов лишь на отдельных этапах всего комплекса производственных этапов.
Превосходством использования параллельных над последовательными механизмами манипуляторов являются: большая грузовая вместимость, высокая прочность самой системы, следствием чего будет является высокая скорость при работе. Большую конструктивную жесткость гарантирует замкнутая цепь кинематического типа, что в большей мере позволяет повысить динамические и точностные характеристики МПКС. К недостаткам параллельных механизмов можно отнести: необходимость меньшего пространства для работы, в отличии от механизмов последовательной структуры и в свою очередь большую сложность конструкции, что в конкретных условиях применения будят является несущественным.
Главной идеей применения данной технологии была манипуляция предметами небольшого веса с большей скоростью и точностью. Указанные параметры будут являться достаточными и необходимыми характеристиками для их применения в механизмах автоматизированного монтажа печатных плат.
Чаще всего, механизм с кинематической связью параллельного типа, (параллельный манипулятор) представляет собой платформу, которая имеет возможность двигаться. Платформа прикреплена к базе, (закрепленная платформа), при помощи точек соединения или ножек. В основном количество точек соединения равняется количеству степеней свободы. Все соединения управляется при помощи одного привода, который может быть размещен на базе или около нее. Манипуляторы параллельного типа способны иметь высокую грузоподъемность благодаря тому, что внешние нагрузки на движущуюся платформу могут быть разделены между приводами (см. рис. 1) [2].
Группа устройств параллельно кинематической структуры велика, особенно широко представлены
2
1
Рисунок 1 - Пример МПКС: 1 - Подвижная платформа, 2 - База, 3 - Манипуляторы, 4 Исполнительные механизмы
3
Для анализа подобных систем, рассмотрим более простой из данной линейки - плоский механизм или механизм с двумя степенями свободы.
Отметим, что широкая группа МПКС разделяется на две подгруппы:
- МПКС с постоянной структурой рабочих устройств;
- МПКС с переменной структурой рабочих устройств.
Рассмотрим все подтипы. МПКС первой подгруппы представляют собой машины с парой рабочих устройств, на строго закрепленных шарнирах и которые скреплены при помощи точки сцепления. Механизм перемещается с помощью основной рамы, закрепленной на полозьях, а при помощи шарнирного соединения осуществляется движение в рабочей области. В приведенной системе рабочая область ограничена рамками самой рамы и некими ограничивающими зонами в положениях по краям. Данные механизмы не получили большого популярности, но нашли свое применение в сфере промышленного оборудования.
Наиболее привлекательны на сегодняшний день для промышленности МПКС второй подгруппы, где в качестве рабочих механизмов используют цилиндры. Приведем задачу в более информативный для оценки вид - в декартову систему координат (рис. 2), где: q1 и q2 - дальность от мест крепления первых двух рабочих цилиндров до заготовки (т. Р) или длина рабочих цилиндров; Ь - дальность между зафиксированными концами рабочих цилиндров (отрезок АВ); Р(хр:ур) - координаты заготовки.
Механизм состоит из двух прикрепленных на шарнире пневмо (гидро-) цилиндров, которые связаны между собой (рис. 2). В месте соединения (точка Р) можно установить хват, либо любую другую необходимую насадку.
Совместим точку соединения, хват и некую заготовку в единой точке - т. Р. Целью всей системы будет являться правильно спроектированный механизм, который позволит автоматически перемещать заготовку на заданную дистанцию, т.е. в нашей ситуации - передвижение т. Р. Местоположение т. Р в начальный и заключительный момент времени заранее заданы. Требуется сделать верный подбор механизма, т.е. необходимые рабочие цилиндры с необходимым параметром работы от минимальных до максимальных значений. Такие рабочие цилиндры способны как растягиваться, так и сжиматься (направления их движений показано стрелками (рис. 2).
Чтобы синхронизировать правильное функционирование механизма с заданными характеристиками для нужного передвижения заготовок (рабочая область) оператору нужно иметь хороший инструмент визуализации, для правильной оценки функциональных параметров изготавливаемого изделия.
В [5] приведено некое уже существующее средство, с помощью которого появляется возможность визуализации рабочей области вышеописанной конструкции. Данное программное средство было создано при помощи «МА^АВ-9и1». В этом программном продукте присутствует возможность изначально задать некоторые параметры: минимальные и максимальные значения длин рабочих цилиндров, а так же дистанцию между фиксированными точками рабочих цилиндров (от резок АВ, см. рис. 2). Продукт дает нам возможность получения графической визуализации рабочей области.
кинематикой
К сожалению, приведенный алгоритм позволяет видеть лишь возможности механизма, но не имеет возможности одновременно видеть настоящее положение объекта при перемещении. Так же нет и самого алгоритма преобразований, которой мог бы позволить увидеть математическое обоснование.
Реализация описанных выше недостающих возможностей визуализации могла бы сделать процесс моделирования более эффективным и прозрачным. В свою очередь, в нашем случае процесс моделирования требуется для выполнения двух задач:
1. Наглядность;
2. Правильный выбор параметров устройства.
При этом второй пункт более значим.
Результатом проделанных исследований будет
являться решение задач моделирования области рабочих устройств с двумя степенями свободы (выше описанные), а так же задачи, разрешаемые в ходе анализа плоской (дальномерной) навигационной задачи.
К вопросу о позиционировании, одной их главных целей этой задачи будет являться наиболее точное определение местоположения объекта на плоскости, а так же его пространственное местоположение. Наравне с приведенными выше проблемами, возникает необходимость в предъявлении неких условия к точности и надежности всех проделанных расчетов. Помимо этого важную роль имеют и задачи графического отображения как промежуточного, так и конечного результатов всего процесса.
Подводя итог, делаем вывод, что для решения проблемы позиционирования, получилось построить новый, более простой инструмент визуального изображения рабочей области плоских механизмов с параллельной кинематикой. Полученный алгоритм дает возможность также и проследить возможное поведение рабочих цилиндров при заранее заданной требуемой рабочей области. Так же, в выработанном алгоритме появилась возможность изначально задавать значения длин от минимального до максимальных, которые в последствии смогут принимать рабочие цилиндры и координаты точек А и В. Вследствие поэтапного решения множественных геометрических задач можно увидеть результат в виде геометрического положения точек.
Добавилась функция изображения пространства для работы с заданными рабочими характеристиками. Алгоритм визуализации может отображать область, в которой поставлена задача перемещения или обработки детали.
Важным преимуществом реализуемого метода графической визуализации значится то, что он был разработан на базе программного комплекса «Math CAD», что в свою очередь является более простой средой разработки в сравнении с «MATLAB-GUI».
В ходе проектирования, визуализация рабочего пространства не обозначается как главная цель, но она необходима для помощи операторам на ранних этапах при проектировании, а также для наглядного понимания текучих процессов. Так же визуализация рабочего пространства плоских механизмов необходима в качестве некой помощи при понимании наиболее сложных механизмов, когда количество рабочих цилиндров будет увеличено, а движения происходят в пространстве.
Результатом проведенной работы в исследовании рабочей области МПКС был реализован алгоритм, а так же приведены критерии, позволяющие в совокупности:
1. выбрать требуемое оборудование опираясь на масштаб объектов технологического процесса, что в свою очередь даст возможность рационального использования производственных площадей.
2. изучить действие оборудования и его рабочую область ещё в процессе проектирования.
Выделены такие особенности созданного алгоритма, как:
1. открытость;
2. просто понимаемый интерфейс;
3. визуализация рабочего пространства;
4. выделение некоторых участков контроля;
5. прорисовка полного математического решения;
Которые дают возможность его использования для разрешения и других задач с аналогичными входными параметрами. Приведенный алгоритм в полной мере соответствует поставленной и решае-
мой задачи проектирования и применения автоматизированной МПКС для монтажа блоков радиоэлементов. Изначально потребуется провести анализ необходимого объекта технологического процесса (печатной платы), а точнее определиться с ее размерами, после этого алгоритм позволит подобрать требуемые размеры для проектируемой МПКС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Reymond Clavel. Device for the movement and positioning of an element in space// United States Patent 4976582
2. Senior Lecturer Dr.Eng.Sergiu-DanStan http://www.sergiustan.ro/What%2 0is%2 0a% 20Paral-lel%20Robot.pdf
3. А.В. Смородов, А.Н. Волков. Построение рабочей области платформы Стюарта и её сечений.//Ак-туальные проблемы защиты и безопасности: Труды 7 всероссийской научно -практической конференции, Том.4. «Экстремальная робототехника» СПБ. 2004., С. 140-143.
4. Горячев Н.В. Совершенствование структуры современного информационно-измерительного комплекса. / Н.В. Горячев, Н.К. Юрков // Инновационные информационные технологии. 2013. Т. 3. № 2. С. 433-436.
5. Шуваев П.В. Формирование структуры сложных многослойных печатных плат / П. В. Шуваев, В.А. Трусов, В.Я. Баннов, и др. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 1. С. 364-373.
6. Sergiu-Dan Stan, Vistrian Matie§ and Radu Balan. Optimal Design of Parallel Kinematics Machines with 2 Degrees of Freedom / I. Huapeng Wu. Parallel Manipulators, Towards New Applications. Chapter, 14 // I-Tech Education and Publishing. - Austria. Vienna: Printed in Croatia, first published April 2008. - Р. 308-312
7. Клеветов Д. В. Разработка технологии автоматизации процесса монтажа печатных плат с применением механизмов с параллельной кинематикой // Технические науки: проблемы и перспективы: материалы Междунар. науч. конф. (г. Санкт-Петербург, март 2011 г.). — СПб.: Реноме, 2011. — С. 62-67. — URL https://moluch.ru/conf/tech/archive/2Z227/
УДК 004.414.22
Имамутдинов1 А.И., Каржанов? Б.Б., Надьрбеков? Г.Ж.
!фГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия 2Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева, Астана, Казахстан ЦИФРОВОЙ ТЕРМОМЕТР НА БАЗЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
В статье рассмотрена программная реализация измерителя температуры на базе цифрового датчика температуры. Рассмотрены функциональные, а также принципиальные особенности такого измерителя Ключевые слова:
ЦИФРОВОЙ ДАТЧИК, ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС, ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДИАПАЗОН
Для того чтобы цифровые измерительные системы могли воспринимать информацию из окружающей среды, потребуются специальные средства, обладающие интерфейсом. Их целью будет являться преобразование различных физических величин в электрические сигналы [4]. Такими системами могут являться современные датчики. При работе, всякий аналоговый электрический сигнал, полученный на выходе в дальнейшем можно представить в виде двоичных кодов, которые могут быть приняты, а затем обработаны компьютером или микропроцессор-
Датч и к
ной системой. Что в свою очередь дает возможность автоматизации процесса измерений датчиками температуры и его хранением в электронном виде.
Все датчики делятся на две группы, это датчики прямого действия и составные датчики (рис. 1). Датчики прямого действия, их задача заключается в преобразовании воздействия внешней среды в электрический сигнал. Составные, в свою очередь прежде получения выходного электрического сигнала производят одно или множество различных преобразований сигнала.
Датчик
Внешнее воздейст
1 2 3 Электрическое напряжение
Рисунок 1 - Простой датчик (датчик прямого действия) и составной датчик: 1, 2 и 3 — преобразователи сигнала
Компьютер
Рисунок 2 - Функциональная схема цифрового измерителя
