Расширение функциональных возможностей роботизированного центра УИРЦ-1

Московским институтом МИРЭА совместно с РОСУЧПРИБОРОМ созданы учебные роботизированные центры. Один из центров имеет возможность перемещения мехатронных модулей в трех проскостях, сканирование и захват объектов небольшой массы и их перемещение. Все центры обладают широким спектром возможностей, но стоимость каждого центра велика. Поэтому появилась необходимость рассмотреть возможность расширения функциональных возможностей центра силами студентов. В данной работе вместо захватывающего устройства используется дрель.

Учебные роботы и роботизированные комплексы для технического творчества и профессиональной ориентации студентов строятся на базе универсальных систем мехатронных модульных конструкций, включающих мехатронные модули, системы управления с комплектом программного обеспечения, позволяют собирать, моделировать и изучать элементы и системы средств автоматизации различных технологических процессов, используемых в промышленности.

Управление движениями унифицированных ММ и построенных на их основе устройств осуществляется от микропроцессорной системы управления.

Система управления (СУ) предназначена для управления унифицированными мехатронными модулями и построенными на их базе устройствами. Привод ММ построен на базе электродвигателей постоянного тока, а датчики положения подвижной части имеют цифровой выход.

СУ выполнена на базе программируемого 8-разрядного однокристального микроконтроллера с системой команд MCS-51 и позволяет управлять:

• шестью реверсивными ММ (устройства перемещения робота);
• тремя нереверсивными ММ (устройства захвата);

Исполняемая микроконтроллером программа записана во встроенную память программ АТ89С51.

Определение текущего состояния ММ или построенных на их основе устройств осуществляется по показаниям датчиков обратной связи, имеющих цифровой выход в стандарте ТТЛ. Для управления построенным из ММ манипулятором используются датчики начального и конечного положения подвижных частей ММ, импульсные датчики, определяющие координату подвижной части ММ и др.

Программирование работы построенного из ММ устройства осуществляется на ПЭВМ.

СУ подключается к ПЭВМ через параллельный интерфейс Centronix (стандарт SPP или EPP).

Питание СУ осуществляется от однофазной цепи переменного тока 220 В 50 Гц. Максимальная потребляемая мощность – не более 120 Вт. Общий вид системы управления и назначение органов управления

В левой части передней панели размещены светодиодные индикаторы, показывающие состояние шести реверсивных ММ (на рисунке 1 обозначены как M0 – M5):

• концевых датчиков ММ («Начало», «Конец»);
• импульсных датчиков для определения положения ММ («Датчик 0» и «Датчик 1»);
• направления включения двигателя ММ (движение от начала системы координат к концу «Н → К», либо противоположное движение «Н ← К»).

Дополнительно здесь отображены состояния четырех нереверсивных ММ (на рисунке 1 обозначены как M6 – M9), один из которых используется для подачи напряжения на обмотки возбуждения двигателей постоянного тока реверсивных ММ. Остальные являются резервными и используются пользователем по своему усмотрению.

В левой нижней части ММ расположены восемь индикаторов (на рисунке 1 обозначены цифрами от 0 до 7). Управление их состоянием производится микроконтроллером СУ. Данные индикаторов являются свободно программируемыми, их состояние не отражается на работе ММ.

Два светодиодных индикатора зеленого цвета свечения (на рисунке 1 обозначены как 5 В и 24 В) отображают работу модуля источника питания СУ. При исправном модуле оба индикатора должны светиться. Отсутствие свечения одного из индикаторов или обоих индикаторов одновременно говорит о неисправности СУ.

Две кнопки, обозначенные на рисунке 1 как «Вкл» и «Выкл», управляют подачей напряжения на исполнительные двигатели ММ. При включении питания СУ двигателя обесточены, но микроконтроллер СУ работает, что позволяет пользователю производить ввод и отладку программ. Для включения двигателей (после загрузки программы) необходимо нажать на кнопку «Вкл» (включится зеленый светодиодный индикатор, расположенный над кнопкой), а для их отключения – на кнопку «Выкл».

УИРЦ включает в себя 3 мехатронных модуля линейного перемещения.

В качестве двигателя в ММ линейного перемещения использован двигатель постоянного тока МН-145А.

Определение положения подвижной платформы ММ линейного перемещения определяется с помощью датчиков двух типов:

• датчик начального (концевого) положения подвижной платформы;
• импульсный датчик положения платформы;

Начальным является положение платформы у двигателя, конечным – противоположное положение.

Датчики начального (конечного) положения являются герконового типа. Срабатывание таких датчиков происходит при замыкании геркона, в нормальном состоянии пластины разомкнуты.

Непрозрачный диск с прорезями установлен на вал двигателя постоянного тока МН-145А и в процессе вращения перекрывает световой поток от источника излучения к приемнику. На выходе приемника излучения будут наблюдаться импульсы прямоугольной формы со скважностью, близкой к двум.

Так как в качестве датчиков начального и конечного положения используются герконы, в момент их переключения (срабатывания датчика) сигнал на их выходе имеет эффект «дребезга».

В силу того, что при движении манипулятора из-за нежесткости его конструкции происходит вибрация ММ и, как следствие, установленных на них датчиков, эффект дребезга контактов присущ и оптическим датчиками (датчикам положения).

В системе управления дребезг контактов аппаратно не устраняется, поэтому дребезг контактов устраняется программным способом.

В состав робота входит захватное устройство, предназначенное для захвата и удержания роботом небольших по массе деталей.

При подаче на электромагнит захватного устройства рабочего напряжения, с амплитудой 24, подвижный якорь втягивается и губки захватного устройства смыкаются. При снятии напряжения пружина, размещенная внутри электромагнита вытолкнет шток и губки разомкнутся.

Максимальное время, которое захватное устройство может находится во включенном состоянии – не более 5 мин. После этого оно должно находиться в выключенном состоянии не менее 15 мин.

Модернизация роботизированного центра

Роботизированный центр имеет ряд возможностей, таких как перемещение ММ в трем плоскостях, сканирование а также захват объектов небольшой массы и их перемещение. В настоящее время существует комплекс роботизированных центров, изготовленных РОСУЧПРИБОРОМ, совместно с МИРЭА. Все центры обладают широким спектром возможностей, однако стоимость каждого центра велика. Поэтому появилась необходимость рассмотреть способы расширения функциональных возможности одного из центров, а также модификация УИРЦ-1 на примере одного из вариантов.

Прежде всего стоит обратить внимание на некоторый особенности центра.

Система управления (в том числе модули, входящие в нее, и программа, зашитая в микроконтроллере) не может быть модифицирована, так как она защищена авторскими правами и текст программы не предоставляется пользователю, поэтому все возможные модификации будут рассматриваться в рамках подключаемых к СУ устройств.

Наиболее реализуемым вариантом расширения возможностей является установка дополнительных сканирующих или механических устройств на один из ММ (в данном случае это модуль линейного перемещения в горизонтальной плоскости).

Одной из таких реализаций является замена базового инфракрасного датчика. В СУ для снятия данных с датчика предусмотрен всего один бит, означающий срабатывание или несрабатывание датчика. Для сложных оптических устройств этого недостаточно, поэтому данные с датчика должны передаваться по другому интерфейсу, минуя систему управления.

В связи с вышеизложенным наиболее целесообразным вариантом для таких целей являются веб-камеры. Передача данных в таких устройствах реализована с помощью интерфейса USB. Кроме того веб-камеры имеют небольшой вес, а также сравнительно недорогую стоимость.

Система захвата, установленная на роботе, имеет довольно простую конструкцию, что позволяет с ее помощью переносить объекты среднего размера и небольшой массы.

Заменой этой системы захвата может быть любое электрическое устройство, работающее по заданным электрическим параметрам. Например, такими устройствами могут быть электродрели, электромагниты.

Однако, вместо системы захвата может быть установлено графическое перо на подвижной оси. В этом случае, с помощью центра возможно наносить на поверхность изображение или разметку.

Однако при разработке и модификации следует обратить внимание на то, что позиционирование модулей линейного перемещение имеет некоторую погрешность, которая складывается из следующего:

• погрешность датчиков;
• инерционность двигателей;
• протокол обмена с ПЭВМ;
• воздействие внешней среды;

На модулях линейного перемещения установлены герконовые и оптические датчики. Герконовые датчики имеют низкую стоимость, однако относительно большую погрешность. При разработке точной системы данные датчики необходимо заменить на более точные, такие как оптические или датчики контактного типа.

Степень погрешности про возникновении люфта очень низка, по сравнению с погрешностью датчиков, поэтому вероятностью возникновения люфта следует пренебречь.