Разработка микропроцессорной системы управления роботизированным технологическим комплексом
ВВЕДЕНИЕ
Большинство основных производственные процессов
(циклов) в современном машиностроительном производстве основаны на технологии,
использующей робототехнические комплексы (РТК) в сочетании с автоматическими
линиями, автоматизированными складами и системами управления на базе ЭВМ и
микропроцессоров. Одним из широко распространенных классов, таких процессов
является технологические процессы, которые состоят из операций выполняемых
одновременно над группой объектов, при этом все технологические операции в
группе выполняются последовательно. Примерами подобных технологических
процессов могут служить процессы, имеющие место в сборочных производствах
автотракторной техники и в приборостроении.
Эти процессы обладают следующими особенностями:
Процессы можно охарактеризовать как
переключательные или дискретные. Характерной чертой дискретных процессов
является то, что они полностью детерминированы, т.е. задана (описана) в явном
виде логика их функционирования, следовательно, задана и логика управления,
определяющая оптимальную стратегию переключения исполнительных механизмов
технологического объекта.
Технологические операции, из которых состоят эти
процессы представляют собой, как правило, тоже дискретные процессы, но гораздо
более простые и меньшей размерности, и могут быть в иерархической подчиненности
с операциями старшего уровня,
Технологические операции начинаются
одновременно, после чего они выполняются независимо друг от друга и момент их
завершения заранее не известен,
Синхронизацию технологических операций (их
запуск и ожидание самой длительной) может осуществлять специальная операция
называемая, транспортной, назначение которой одновременная передача объектов
сборки с одной позиции на другую.
В различных процессах технологические операции
выполняются агрегатными головками, промышленными роботами, специальными
станками и другими технологическими средствами, а транспортная операция
осуществляется линейными или поворотными транспортными системами дискретного
или непрерывно-дискретного действия.
Системы управления технологическим
оборудованием, выполняющим эти технологические процессы, как правило, являются
системами управления нижнего уровня АСУТП участков и цехов, и реализуют
алгоритмы логического управления (АЛУ).
АЛУ, в соответствии с перечисленными выше особенностями
технологических процессов характеризуются иерархией, параллелизмом,
асинхронностью и цикличностью.
ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ СТАНКА
В данной курсовой работе рассматривается РТК на
базе токарного станка модели 16Б16Ф3 и вертикально-фрезерного станка мод.
6Р13ФЗ.
Станок 16Б16Ф3
Станок предназначен для многоинструментальной
токарной обработки тел вращения с канавками, фасками и криволинейными
образующими. Он может быть использован и для нарезания в автоматическом цикле
цилиндрических и конических резьб, а также архимедовых спиралей. Спроектирован
на базе универсального токарно-винторезного станка мод. 16Б16П с учетом
стыковки его с системой ЧПУ. Класс точности станка - П. Предназначен как для
центровых, так и для патронных работ в мелкосерийном и серийном производстве.
Основные узлы станка конструктивно несколько изменены по сравнению с базовой
моделью.
Техническая характеристика станка
Наибольший
диаметр обрабатываемого изделия над станиной
|
320
мм
|
Наибольший
диаметр обрабатываемого изделия над суппортом
|
160
мм
|
Наибольшая
длина обрабатываемого изделия
|
710
мм
|
Наибольший
диаметр прутка, проходящего через отверстие в шпинделе
|
34
мм
|
Наибольшее
перемещение суппорта (продольное / поперечное)
|
700
/ 240 мм
|
Количество
инструментов в резцедержателе
|
4
|
Число
ступеней рабочих частот вращения шпинделя
|
17
|
Число
ступеней автоматически переключаемых частот
|
12
|
Пределы
частоты вращения шпинделя
|
45-1800
об/мин
|
Пределы
рабочих подач (продольных / поперечных)
|
6-1200
/ 3-600 мм/мин
|
Дискретность
отсчета по осям координат (продольн./поперечн.)
|
0,01
/ 0,005
|
Скорость
ускоренных перемещений (продольных/поперечных)
|
4800
/ 2400 мм/мин
|
Шаг
нарезаемых резьб
|
0,2-10
|
Мощность
электродвигателя главного привода
|
3,8
/ 6,3 кВт
|
Габаритные
размеры станка (длина Ч ширина Ч высота)
|
3065
Ч 2395 Ч 1860 мм
|
Масса
станка
|
2500кг
|
Компоновка, основные узлы и движения в станке
Станина коробчатой формы с поперечными
П-образными ребрами устанавливается на пустотелой тумбе. По двум закаленным
направляющим станины перемещается суппорт, а две другие направляющие служат для
перемещения задней бабки. Привод главного движения состоит из двухскоростного
асинхронного электродвигателя А02-52-8/4 и автоматической коробки скоростей
АКС209-6,3 Привод обеспечивает с учетом перебора, смонтированного в шпиндельной
бабке, 17 ступеней различных частот вращения шпинделя. Автоматическое
переключение частот вращения шпинделя возможно в двух диапазонах, определяемых
включением шпинделя напрямую или через перебор.
Привод продольной подачи включает электрогидравлический
двигатель, беззазорную цилиндрическую передачу и шариковую передачу винт-гайка.
Привод поперечной передачи аналогичен приводу продольной подачи. Вместо
цилиндрической передачи используется червячная пара.
Четырехпозиционный резцедержатель смонтирован на
поперечной ползушке, в передней ее части. В автоматическом цикле работы станка
он управляется от программы и обеспечивает последовательный выход каждого из
четырех инструментов в исходное рабочее положение. Поворот и зажим
резцедержателя осуществляются гидроцилиндром, прикрепленным к поперечной
ползушке. Инструменты устанавливаются в инструментальные блоки, у которых
базовая установочная поверхность выполнена в виде цилиндрической прямозубой
шестерни. Такая конструкция позволяет устанавливать резцы для наружной
обработки и расточные в одинаковые резцовые блоки.
Конструкция станка позволяет производить
обработку наружных и внутренних поверхностей вращения деталей при их установке
как в центрах, так и в патроне. Технологические возможности станка 16Б16Ф3 при
центровой и патронной обработке практически равноценны. Использование для
силового резания только четырех инструментов, устанавливаемых в передний
резцедержатель, несколько ограничивает технологические возможности станка.
Станок оснащен устройством ЧПУ типа ЭМ-907; информация кодируется кодом
ИСО-7бит на восьмидорожечной перфоленте.
Как и у других станков с ЧПУ, сконструированных
на базе универсальных станков с ручным управлением, здесь затруднены отвод и
удаление стружки из зоны резания.
Станок 6Р13ФЗ
Станок 6Р13ФЗ предназначен для обработки плоских
и пространственных деталей сложного профиля (штампов, пресс-форм, кулачков и т.
д.) из стали, чугуна, цветных металлов, легких и твердых сплавов в условиях
единичного и мелкосерийного производства торцовыми фрезами диаметром до 125 .мм
и концевыми фрезами диаметром до 90 мм, а также сверлами, зенкерами и
развертками, установленными в револьверной головке. Класс точности станка Н.
Техническая характеристика станка.
Размер рабочей поверхности стола (длина X
ширина) 1600x400 км; число инструментов в револьверной головке 5; число частот
вращения шпинделя 18; пределы частот вращения шпинделя 40-2000 об/мин; число
подач - бесступенчатое регулирование; пределы рабочих подач по осям координат
Xj У 8-1200 мм/мин, по оси Z' 8-800 мм/мин; скорость быстрого перемещения по
осям координат X', Y', Z' 4000 мм/мин; габаритные размеры станка 2575x2180x2480
мм.
Устройство ЧПУ-контурное типа Н331 или Н331М.
Обработка сложных поверхностей осуществляется сочетанием движений по двум или
трем координатам как одновременно, так и последовательно. Устройство выполнено
по агрегатному принципу. Программа задается на восьмидорожковой перфоленте.
Дискретность отсчета по осям координат X', Y', Z' равна 0,01 мм, интерполяция -
линейно-круговая. Имеется 18 групп коррекции на длину и диаметр вдоль оси
координат. По программе осуществляется автоматическая смена инструмента, выбор
частоты вращения каждого шпинделя, зажим консоли и т. д.
Класс
точности станка по ГОСТ 8-82
|
Н
|
Размеры
рабочей поверхности стола по ГОСТ 165-81, мм: ширина, длина
|
400
х 1600
|
Наибольшее
перемещение ползуна, мм
|
450
|
Скорость
быстрого перемещения стола по X, Y, Z, мм/мин
|
2400
|
Пределы
частоты вращения шпинделя, мин
|
0,66...33,3
|
Электродвигатель
главного движения: мощность, кВт
|
7,5
|
Пределы
подач стола, мм/мин
|
20...
1200
|
Расстояние
от торца шпинделя до стола, наименьшее, наибольшее, мм
|
70...450
|
Габаритные
размеры станка с электрооборудованием не более, длина, ширина, высота, мм
|
3555
х 4150 х 2517
|
Масса
станка (без УЧПУ. гидростанции, электрошкафа), кг
|
6900
|
Основные узлы и движения в станке.
Основными узлами станка мод. 6Р13ФЗ являются:
основание 7, станина 2, консоль 3, стол 5 с салазками 4 и шпиндельная головка
со шпинделем 6.
Станина имеет жесткую конструкцию с мощным
основанием, трапецеидальным сечением станины по высоте и большим числом ребер и
стенок. Шпиндели, получающие вращательное движение, установлены в
пятипозиционной револьверной головке. Один из шпинделей усилен для выполнения
более тяжелых фрезерных работ. Консоль перемещается по вертикальным
направляющим станины (подача по оси Z'). По горизонтальным направляющим консоли
движутся поперечные салазки (подача по оси У), а по направляющим салазок в
продольном направлении - стол (подача по оси X'). Коробка скоростей
смонтирована в корпусе станины. Механизмы поперечной и вертикальной подач
расположены в корпусе консоли, а продольной подачи - в салазках.
Кинематическая схема вертикально-фрезерного
станка мод. 6Р13Ф3
Главное движение. Шпиндель VIII получает
вращение от асинхронного электродвигателя Ml (N=7,5 кВт, Л7 = 24,3 с-1) через
коробку скоростей с тремя блоками зубчатых колес Б1, Б2, БЗ и передачи Z=
39-39, Z=42-41- 42 в шпиндельной головке. Механизм переключения блоков
обеспечивает получение 18-и частот вращения и позволяет выбирать требуемую частоту
вращения без прохождения промежуточных ступеней. Кинематическую цепь для
минимальной частоты вращения шпинделя можно рассчитать следующим образом:
= 24,3 • 31/49 • 16/38 • 17/46 • 19/69 • 39/39 х
42/41 •41/42=0,66 с-1.
Инструмент в оправке крепят вне станка с помощью
сменных шомполов. Оправка имеет наружный конус 50 и внутренний конус Морзе № 4.
Для крепления инструмента с конусами Морзе № 2 и № 3 применяют сменные втулки.
Зажим инструмента осуществляется электромеханическим устройством. Смазывание подшипников
и зубчатых колес коробки скоростей осуществляется от плунжерного насоса,
расположенного внутри коробки скоростей.
Движение подач. Вертикальная подача ползуна со
смонтированным в нем шпинделем осуществляется от высокомоментного двигателя М2
(М = 13 Н • м, n = 16,6 с-1) через зубчатую пару Z= 44-44 и передачу
«винт-гайка качения» с шагом р = 5 мм. Предусмотрено ручное перемещение
ползуна. На валу установлен датчик Д обратной связи - вращающийся трансформатор
типа ВТМ-1В.
Поперечная подача салазок осуществляется от
высокомоментного двигателя М4 (М = 13 Н • м, п - 16,6 с-1) через беззазорный
редуктор Z= 22-52-44 и «винт-гайку качения» с шагом р = 10 мм.
Продольная подача стола происходит от
высокомоментного электродвигателя МЗ через беззазорный редуктор Z=26-52 и
«винт-гайку качения» XIII с шагом p=10 мм. В редукторах продольного и
поперечного перемещений установлены датчики Д обратной связи и вращающиеся
трансформаторы типа ВТМ-1В. Зазор направляющих стола и салазок выбирают
клиньями. Зазор в передачах «винт-гайка качения» устраняют поворотом обеих гаек
в одну сторону.
Определение последовательности операций для
изготовления заданной детали
Согласно заданию необходимо изготовление данной
детали:
Для производства данной детали необходимо
выполнить следующие операции:
Подвести заготовку к токарному станку 16Б16Ф3
Базировать и закрепить заготовку на станке в
самоцентрирующих кулачках
Точить контур до диаметра 100 мм
Точить контур до диаметра 40 мм
Снять заготовку со станка
Поднести заготовку к вертикально-фрезерному
станку 6Р13Ф3
Базировать и закрепить заготовку на станке в
самоцентрирующих тисках
Фрезеровать торец
Снять заготовку со станка
Компоновка РТК
Где:
Напольный робот Универсал 5.02
Вертикально-фрезерный станок 6Р13Ф3
Станок токарный патронно-центровой 16Б16Ф3
Кассеты с заготовками
Бункер для сбора готовых деталей
Технологическая схема РТК
Привязка датчиков и исполнительных механизмов к
портам микроконтроллера.
Для подключения промышленного
робота-манипулятора и станочного оборудования к микроконтроллеру используются
порты, в частности: E-порты датчиков и Z-порты нагрузок.
порты датчиков
X1
|
Датчик
привода главного движения M1
|
Е00
|
X2
|
Датчик
привода подач M2
|
Е01
|
X3
|
Датчик
крайнего верхнего положения фрезы
|
Е02
|
X4
|
Датчик
крайнего нижнего положения фрезы
|
Е03
|
X5
|
Датчик
начала/окончания операции фрезерования
|
Е04
|
X6
|
Датчик
крайнего левого положения стола
|
Е05
|
X7
|
Датчик
крайнего правого положения стола
|
E06
|
X8
|
Датчик
крайнего верхнего положения руки манипулятора
|
E07
|
X9
|
Датчик
крайнего нижнего положения руки манипулятора
|
E08
|
X10
|
Датчик
схвата заготовки манипулятором
|
E09
|
X11
|
Датчик
подвода/отвода манипулятора
|
E0A
|
X12
|
Датчик
перехода в начальное состояние станка
|
E0B
|
X13
|
Датчик
перехода в начальное состояние манипулятора
|
Е0C
|
X14
|
Датчик
поворота руки робота
|
Е0D
|
X15
|
Датчик
включения/выключение манипулятора
|
Е0E
|
X16
|
Датчик
фиксации детали в кассете на конвейере
|
E0F
|
Х17
|
Датчик
привода главного движения М1
|
Е10
|
Х18
|
Датчик
крайнего левого положения сверла
|
Е11
|
Х19
|
Датчик
крайнего правого положения сверла
|
Е12
|
Х20
|
Датчик
крайнего левого положения стола
|
Е13
|
Х21
|
Датчик
крайнего правого положения стола
|
Е14
|
Х22
|
Датчик
начала/окончания операции сверления
|
E15
|
Х23
|
Датчик
перехода в начальное состояние станка
|
Е17
|
X24
|
Цикловой
пуск системы
|
Е17
|
порты нагрузок (Исполнительные механизмы)
Y1
|
Управление
привода главного движения (электродвигатель M1)
|
Z00
|
Y2
|
Включение
привода рабочих подач (электродвигатель M2)
|
Z01
|
Y3
|
Крайнее
верхнее положение фрезы
|
Z02
|
Y4
|
Крайнее
нижнее положение фрезы
|
Z03
|
Y5
|
Начало/завершение
операции фрезерования торца
|
Z04
|
Y6
|
Крайнее
левое положение стола
|
Z05
|
Y7
|
Крайнее
правое положение стола
|
Z06
|
Y8
|
Крайнее
верхнее положение руки манипулятора
|
Z07
|
Y9
|
Крайнее
нижнее положение руки манипулятора
|
Z08
|
Y10
|
Схват
руки манипулятора
|
Z09
|
Y11
|
Подвода/отвод
руки манипулятора
|
Z0A
|
Y12
|
Переход
станка в исходное состояние (индикация)
|
Z0B
|
Y13
|
Нахождение
манипулятора в исходном состоянии (индикация)
|
Z0C
|
Y14
|
Поворот
руки робота на 90 градусов
|
Z0D
|
Y15
|
Включение/выключение
робота
|
Z0E
|
Y16
|
Фикация
обработанной детали в кассете
|
Z0F
|
Y17
|
Управление
привода главного движения (электропривод М1)
|
Z10
|
Y18
|
Крайнее
правое положение сверла
|
Z11
|
Y19
|
Крайнее
левое положение сверла
|
Z12
|
Y20
|
Крайнее
правое положение сверла
|
Z13
|
Y21
|
Крайнее
левое положение сверла
|
Z14
|
Y22
|
Начало/завершение
операции точения контура
|
Z15
|
Y23
|
Датчик
перехода в начальное состояние сверлильного станка
|
Z16
|
Y24
|
Переход
системы на цикловой пуск работы
|
Z17
|
Технологическая карта производственного процесса
Момент
времени t
|
Операции
|
Срабатывание
датчиков, X
|
Исполнительные
механизмы, Y
|
|
|
Начальный
момент, tн
|
Конечный
момент, tк
|
Начальный
момент, tн
|
Конечный
момент, tк
|
t0
|
Станок
находится в исходном состоянии
|
X12,X13
|
X12,X13
|
Y12,Y13
|
Y12,Y13
|
t1
|
Запуск
привода главного движения, передача вращения шпинделю
|
X1
|
X1
|
Y1
|
Y1
|
t2
|
Включение
робота на время цикла обработки
|
X15
|
X15
|
Y15
|
Y15
|
t3
|
Опускание
руки робота к конвейеру с заготовками
|
X8
|
X9
|
Y8
|
Y9
|
t4
|
Взятие
заготовки рукой манипулятора
|
X10
|
X10
|
Y10
|
Y10
|
t5
|
Перемещение
руки робота в крайнее верхнее положение
|
X9
|
X8
|
Y9
|
Y8
|
t6
|
Продольное
перемещение стола вправо
|
X6
|
X7
|
Y6
|
Y7
|
t7
|
Подвод
руки манипулятора к столу
|
X11
|
X11
|
Y11
|
Y11
|
t8
|
Опускание
руки робота к тактовому столу
|
X8
|
X9
|
Y8
|
Y9
|
t9
|
Установка
заготовки на столе
|
X9,
X10
|
X9
|
Y9,
Y10
|
Y9
|
t10
|
Продольное
перемещение стола с заготовкой влево
|
X7
|
X6
|
Y7
|
Y6
|
t11
|
Запуск
привода подач. Вертикальная подача ползуна с вмонтированным шпинделем.
|
X2
|
X2
|
Y2
|
Y2
|
t12
|
Подвод
режущего инструмента к заготовке
|
X3
|
X4
|
Y3
|
Y4
|
t13
|
Обработка
торца фрезерованием
|
X5
|
Y5
|
Y5
|
t14
|
Подъем
фрезы в крайнее верхнее положение
|
X4
|
X3
|
Y4
|
Y3
|
t15
|
Продольное
перемещение стола вправо
|
X6
|
X7
|
Y6
|
Y7
|
t16
|
Захват
детали рукой робота
|
X10
|
X10
|
Y10
|
Y10
|
t17
|
Поворот
робота на 180X10, X14 X10Y14Y10
|
|
|
|
|
t18
|
Установка
детали на токарном станке
|
X10
|
X10
|
Y10
|
Y10
|
t19
|
Отвод
руки робота
|
X9
|
X9
|
Y9
|
Y9
|
t20
|
Запуск
привода главного движения, передача вращения шпинделю
|
X17
|
X17
|
Y17
|
Y17
|
t21
|
Продольное
перемещение стола с заготовкой влево
|
X21
|
X20
|
Y21
|
Y20
|
t22
|
Подвод
режущего инструмента к заготовке
|
X18
|
X19
|
Y18
|
Y19
|
t23
|
Обработка
диаметра заготовки(100мм) точением
|
X22
|
X22
|
Y22
|
Y22
|
t24
|
Продольное
перемещение стола вправо
|
X20
|
X21
|
Y20
|
Y21
|
t25
|
Отвод
режущего инструмента от заготовки
|
X22,
Х23
|
X22
|
Y22,
Y23
|
Y22
|
t26
|
Продольное
перемещение стола влево
|
X21
|
X20
|
Y21
|
Y20
|
t27
|
Подвод
режущего инструмента к заготовке
|
X18
|
X19
|
Y18
|
Y19
|
t28
|
Обработка
диаметра заготовки(40мм) точением
|
X22
|
X22
|
Y22
|
Y22
|
t29
|
Продольное
перемещение стола вправо
|
X20
|
X21
|
Y20
|
Y21
|
t30
|
Отвод
режущего инструмента от заготовки
|
X22,
Х23
|
X22
|
Y22,
Y23
|
Y22
|
t31
|
Продольное
перемещение стола влево
|
X21
|
X20
|
Y21
|
Y20
|
t32
|
Захват
рукой обработанной детали
|
X10
|
X10
|
Y10
|
Y10
|
t33
|
Перемещение
руки манипулятора c захваченной деталью в крайнее верхнее положение
|
X9,
X10
|
X8,
X10
|
Y9,
Y10
|
Y8,
Y10
|
t34
|
Отвод
руки манипулятора
|
X11,
X10
|
X11,
X10
|
Y11,
Y10
|
Y11,
Y10
|
t35
|
Опускание
руки манипулятора в крайнее нижнее положение
|
X9,
X10
|
X8,
X10
|
Y9,
Y10
|
Y8,
Y10
|
t36
|
Фиксация
обработанной детали в кассете, отключение схвата руки ПР
|
X15,
X16
|
X15,
X16
|
Y15,
Y16
|
Y15,
Y16
|
t37
|
Возврат
манипулятора в исходное положение
|
X9
|
X8,
X13
|
Y9
|
Y8,
Y13
|
t38
|
Продольное
перемещение стола влево
|
X7,
X21
|
X6,
X20
|
Y7,
Y21
|
Y6,
Y20
|
t39
|
Возврат
системы в исходное состояние
|
X12,
Х23
|
|
Y12,
Y23
|
|
t40
|
Цикловой
пуск системы
|
X24
|
X24
|
Y24
|
Y24
|
Построение временных циклограмм технологических
операций
Первичное описание алгоритма функционирования
технологического объекта
В качестве первичного описания алгоритма
заданного ОУ будем использовать аппарат графов операций, реализуемый с помощью
математического аппарата Сети Петри (N-схемы). С помощью данного этапа
алгоритмического проектирования решаются задачи декомпозиции алгоритма,
устанавливаются причинно-следственные связи между состояниями технологического
процесса, проверяется корректность первичного описания алгоритма.
В графе операций используются вершины двух
типов, изображаемых кружками (позиции) и прямоугольниками (переходы), в котором
стрелками соединяются только вершины разного типа. В позиции графа помещаются
метки (маркеры, точки), которые перемещаются из одних позиций в другие по
определенным правилам, отображая динамику управляемого процесса.