1. Система управления

1. Принципиальная схема стенда

На принципиальной схеме изображены:

• механизм горизонтального продольного перемещения;

• механизм горизонтального поперечного перемещения;

• механизм вертикального перемещения;

• механизм поворота;

• блок питания датчиков;

• блок входов контроллера;

• блок выходов контроллера.

4.1.1 Механизмы перемещения

Для перемещения рабочих частей робота в горизонтальном продольном, горизонтальном поперечном и вертикальном направлениях, используются одинаковые привода, каждый из которых содержит два электродвигателя постоянного тока и два электромагнитных тормоза постоянного тока. Схема работы подобного привода следующая:

При подаче питания одновременно на тормоз и двигатель, привод приводит в движение кинематическую пару «винт-гайка», при помощи которой происходит перемещение рабочей части робота в определённом направлении. При изменении полярности подаваемого напряжения, перемещение происходит в обратную сторону.

Для контроля за перемещением в продольном, поперечном и горизонтальном направлении используются фотодатчики, работающие по следующей схеме:

При подаче на контакты датчика напряжения +5В, излучатель начинает передавать сигнал на приёмник, замыкая цепь. Ток, попадает на третий контакт датчика (сигнальный), откуда снимается следящим устройством. При достижении механизмом своего крайнего положения, между излучателем и приёмником возникает преграда, разрывающая цепь. Ток на третьем (сигнальном) контакте датчика пропадает, что служит для следящего устройства информацией о достижении механизмом конечного положения.

Подобных датчиков используется по два на механизмах продольного и поперечного перемещения и один на механизме вертикального перемещения.

Так же, на данных механизмах используются датчики пути, аналогичные по своей конструкции датчикам конечных положений. Однако преградой для сигнала от излучателя к приёмнику служит перфорированное колесо (в случае механизма вертикального перемещения) или зубчатое колесо (в случае механизмов горизонтального перемещения) соединённые с шестерёнкой, установленной на оси, параллельной оси привода. Поскольку перфорированное или зубчатое колесо крутится при движении механизма, то ток на сигнальном контакте датчика появляется и пропадает попеременно. Что позволяет отслеживать дальность перемещения соответствующего механизма.

Для поворота робота на 90^ОС используется привод, аналогичный вышеописанным. Однако двигатель приводит в движение не пару «винт-гайка», а кривошип, через коническую передачу.

Для контроля перемещения механизма поворота используются два электромагнитных датчика (геркона) и один механический нормально замкнутый концевик.

4.1.2 Блок питания датчиков

Имеет по одному разъёму «+» и «» Предназначен для подключения датчиков к сети питания +24В.

4.1.3 Блок входов контроллера

ПЛК «ОМРОН» CJ1M-CPU21 обладает 24 встроенными цифровыми входами, используемыми для снятия информации с контролируемых устройств. В нашем случае такими полевыми устройствами являются фото-, электромагнитные, а также механический датчики. В моем дипломном проекте используются не встроенные входы, а входы модуля Smart-Slice GRT1 (для обеспечения беспроводной связи между контроллером и входами-выходами).

4.1.4 Блок выходов контроллера

ПЛК «ОМРОН» CJ1M-CPU21 обладает 16 встроенными цифровыми выходами, используемыми для передачи управляющих на контролируемые механизмы. В моем дипломном проекте используются не встроенные выходы, а выходы модуля Smart-Slice GRT1 (для обеспечения беспроводной связи между контроллером и входами-выходами). Т.к выходы модуля являются цифровыми и не могут нести большого тока, а для работы механизмов нужен большой ток, выходы подключаются к механизмам через реле.

1. Разработка алгоритма программы управления

На основании разобранных принципов работы механизмов и датчиков станка можем разобрать алгоритм управления по заданному в разделе 3.4.4 циклу работы робота.

Согласно разделу 3.4.3:

Обозначим ось горизонтального продольного перемещения осью Х, с началом в крайнем правом положении, (дальнем от разъёмов). Соответственно, все перемещения влево, будут иметь положительное значения, а вправо, при отрицательном (противоположном) напряжении и иметь отрицательные значения.

Обозначим ось поперечного перемещения осью Y, с началом в крайнем заднем (втянуто) положении. Соответственно, все перемещения руки робота, направленные на её выдвижение будут иметь положительные значения, а все обратные перемещения, соответственно, будут иметь отрицательные значения

Обозначим ось вертикального перемещения осью Z, с началом в крайнем верхнем (втянутом) положении. Соответственно, все перемещения руки робота, направленные на её выдвижение будут иметь положительные значения, а все обратные перемещения, соответственно, будут иметь отрицательные значения.

Т.к. используемые датчики пути не предоставляют возможности контроля перемещения в абсолютных величинах, а нам всегда необходимо знать первоначальное местоположение механизмов, необходимо всегда перед решением задачи, приводить механизмы в нулевое положение.

В программе управления необходимо предусмотреть возможность аварийного отключения приводов при нажатии кнопки аварийного выключения.

Каждая программа управления будет содержать два стандартных алгоритма:

1. Алгоритм вывода механизмов робота в точку начального положения (инициализации);

2. Алгоритм аварийного выключения при нажатии кнопки аварийной остановки работы манипулятора.

Программа управляет механизмами робота, выполняя поочередно следующие действия в порядке их следования:

1. переместить влево по оси X на 30см;

2. выдвинуть манипулятор по оси Y на 15см;

3. опустить захваты на 15см вниз по оси Z;

4. установить черный схват;

5. зажим черного схвата;

6. поднять захваты вверх в ноль;

7. втянуть руку по оси Y в ноль;

8. переместить по оси Х в ноль;

9. повернуть манипулятор на 90° против часовой стрелки;

10) выдвинуть манипулятор по оси Y на 20 см;

11) опустить захваты вниз по оси Z на 20см;

12) разжать черный схват;

13) втянуть руку по оси Y в ноль;

14) втянуть руку вверх по оси Z в ноль;

15) повернуть манипулятор на 90° по часовой стрелки.

При своей работе программа загрузки-выгрузки проверяет состояния:

- Концевых выключателей по осям:

• X – SQ1, SQ2

• Y – SQ3, SQ4

• Z – SQ5

- Аварийного выключателя – К2

- Кнопки включения стенда – К1

1. Программа управления

4.3.1 Информация о среде разработке программ CX-One

Программное обеспечение системы управления разрабатывается на основе пакета программного обеспечения CX-One, разработанной для программирования ПЛК, и поставляемого вместе с контроллером.

CX-One - это объединенный комплект программного обеспечения. Установив однажды CX-One, пользователь сможет создавать, конфигурировать и программировать множество различных устройств, таких как ПЛК, ЧМИ или системы многоосного управления перемещениями, а также промышленные сети. CX-One значительно упрощает работу инженера и сводит к минимуму необходимость обучения программированию или конфигурированию систем автоматизации.

• Единый программный комплект для программирования ПЛК и ЧМИ, сетей, приводов и устройств многоосного управления, регуляторов и переключателей, а также датчиков

• Унифицированная среда конфигурирования для всех устройств

• Общая процедура инсталляции и единая лицензия на все программные компоненты

Для создания нашего лабораторного стенда использовались две программы из пакета CX-One: CX-Integrator и CX-Programmer.

CX-Integrator - это основной программный пакет графического конфигурирования в составе программного комплекта CX-One. С его помощью упрощается множество операций, таких как контроль состояния соединений в различных сетях, настройка параметров и диагностика сетей.

• Простая в использовании программа

• Сохранение файлов в единой среде CX-One

• Возможность графической настройки параметров соединений "точка-точка" и сетей полевого уровня

CX-Programmer - это единый программный пакет для программируемых логических контроллеров Omron всех серий, составляющий единое целое с комплектом программного обеспечения CX-One.

Предусмотренные в нем новые диалоговые окна настройки параметров сокращают время настройки, а наличие в CX-Programmer стандартных функциональных блоков, имеющих форму структурированного текста или более привычных "лестничных диаграмм" (IEC 61131-3), сводит программирование ПЛК к простому перетаскиванию объектов на экране.

• Является частью CX-One - универсального комплекта программного обеспечения компании Omron

• Автоматическое установление связи через USB или последовательный порт

• Повышенная защита: охрана вашей интеллектуальной собственности

• Простые экраны настройки для всех модулей ПЛК

• В комплект входят средства имитации работы ПЛК: работу программы можно проверить еще до ее загрузки в ПЛК.

В CX-Programmer включено несколько языков программирования:

- язык релейных диаграмм LD (Ladder Diagram) – графический язык, реализующий структуры электрических цепей;

- язык функциональных диаграмм FBD (Function Block Diagram) – графический язык, похожий на принципиальную схему электронного устройства на микросхемах;

- язык «структурированный текст» ST (Structured Text) – язык высокого уровня синтаксически схожий с языком Паскаль.

- язык последовательных функциональных схем SFC (Sequential Function Chart) – высокоуровневый графический язык. Это язык последовательных функциональных схем. Дает возможность описать логику программы с помощью чередующихся функциональных блоков и условных переходов. Инструкции для функциональных блоков и переходов могут быть написаны в одном из других языков.

Релейная схема представляет собой две вертикальные шины питания, между ними расположены горизонтальные цепи, образованные контактами, блоками и обмотками реле. Количество контактов и блоков в цепи произвольно, реле одно. Если последовательно соединенные контакты замкнуты, ток идет по цепи и реле включается.

В LD каждому контакту ставится в соответствие логическая переменная, определяющая его состояние. Если контакт замкнут, то переменная имеет значение ИСТИНА. Если разомкнут — ЛОЖЬ. Имя переменной пишется над контактом и служит его названием.

Последовательное соединение контактов или цепей равноценно логической операции И. Параллельное соединение образует монтажное ИЛИ.

Сопоставление обозначений базовых элементов LD и обозначений ЕСКД приведено в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Базовые элементы языка релейных диаграмм LD (Ladder Diagram)

LD	ECKД	Обозначение
		Нормально разомкнутый контакт
		Нормально замкнутый контакт
		Обмотка реле

Принцип работы контроллера CJ1M очень прост: