计算机在工业控制中应用.ppt

第四章计算机在工业控制中应用 主要内容 4 1简易数控基础4 2嵌入式技术与应用4 3示教再现技术4 4机器人技术 4 1简易数控基础 4 1 1简易数控原理在工业上 经常使用一种叫步进电机的动力设备来驱动各种装置 步进电机也叫脉冲电机 它可以通过功率转换设备 即驱动源或驱动芯片接收计算机发来的脉冲信号 使电机旋转一定角度 每一个脉冲信号电机旋转一步 一步旋转3 6或1 8 利用机械结构很容易将转动变成平动 进而达到机械运动的精确定位 步进电机根据其线卷绕组数量 分为二相 三相或四相 比如三相步进电机 其线卷绕组分为a b c三相 它的控制方式有多种 使用最多的是三相六拍控制方式 通电顺序 a ab b bc c ca a 电机正转 通电顺序 a ac c cb b ba a电机反转 由于步进电机定位精确 调速容易 方向控制方便 在自动控制系统中使用较多 我们知道 计算机只能进行数字运算 那么它是如何通过步进电机控制机床加工出直线 圆弧 和各种形状的零件呢 我们以两坐标机床为例来做简单介绍 两坐标机床有两个拖板 由两台步进电机驱动 分别带动拖板上的被加工零件在x轴和y轴方向正向或反向运动 机床上还有一个主轴电机 它带动刀具只旋转不运动 被加工零件在x轴和y轴方向电机的驱动下 走出各种平面曲线 零件和刀具相交的轨迹就是我们的加工曲线 在加工时我们把零件分成许多段 每段都是由直线或圆弧组成 1 圆弧段加工 走圆弧段控制也叫圆弧插补 图4 1 加工圆弧 圆心在坐标原点 起点a 6 0 终点b 0 6 半径为6 图4 1加工圆弧 示意图 加工时 刀具先移到a点 从a点向 x方向走一步 到 5 0 点 这一点在圆弧内部 如果第二步继续向 x走 离圆弧距离会越来越远 为了接近圆弧 第二步应向 y方向走 到 5 1 点 此点还在圆弧内 第三步继续向 y方向走 如图所示 第十二步走到b点 结束加工 综上述 圆弧插补的工作过程分四步 1 位置判别 加工开始 通过位置判别决定工作台走向 位置判别可通过判别函数f 来计算 x和y是刀具位置坐标 r是圆半径 f0 刀具位置坐标在圆上或圆外 f 0 刀具位置坐标在圆内 2 进给加工 向相应方向发一个进给脉冲 工作台走一步 一个进给脉冲工作台位移的距离叫脉冲当量 一般机床脉冲当量 0 001 0 0005mm 3 偏差计算 加工一步后 对新的加工点计算新的加工偏差 做为下一步位置判别的依据 加工过程中 每走一步都要进行偏差计算 这种方法也叫逐点比较法 因为每一步都要计算偏差 新偏差可以利用上一步计算的结果推导 避免乘方运算 在此例中 加工是逆时针方向 当向 x走一步 y不变时 误差函数 当向 y走一步 x向不变时 误差函数 就是说 我们只要计算出第一步误差 以后各步的误差可以由前一步误差和进给方向简单推导出 4 终点判别 到达终点结束加工 x y方向发的总脉冲数等于x和y坐标和 就可以结束加工 具体步骤见表4 1 2 逐点比较法直线插补运算 跟圆弧加工一样 逐点比较法直线插补加工也分4步 1 偏差计算 以第一象限直线为例 见图4 2 设n是直线上一点 则有 即 0 如果f 0 点n在直线上 令判别函数f 如果f0 点n在直线上方 2 进给加工 如果点在直线上方 下一步向 x向发脉冲 如果点n在直线下方 下一步向 y向发脉冲 3 加工过程中 每走一步都要进行偏差计算 因为每一步都要计算偏差 新偏差可以利用上一步计算的结果推导 在此例中 加工是第一象限直线 当向 x走一步 y不变 误差函数 当向 y方向进给一步 x不变 误差函数 4 终点判别 和圆弧加工一样 在图4 2中 设b点坐标为 6 4 直线段加工步骤如表4 2所示 表4 2直线段加工步骤 4 2嵌入式技术与应用 4 2 1什么是嵌入式技术除目前使用的个人pc机以外 在计算机技术领域还有一个重要分支 那就是在工业上使用非常广泛的单片机 单片机就是在一片半导体硅片上集成了中央处理单元 cpu 存储器 arm rom 和各种i o接口的微型计算机 这样一块集成电路芯片具有一台微型计算机的功能 因此被称为单片微型计算机 简称单片机 有些单片机功能比较齐全 我们称之为通用单片机 有些单片机是专门为某一应用领域研制的 突出某一功能 例如专门的数控芯片 数字信号处理芯片等 我们称之为专用单片机 有时我们也把这两种单片机统称为微处理器 单片机主要应用在测试和控制领域 由于单片机在使用时 通常处于测试和控制领域的核心地位并嵌入其中 因此我们也常把单片机称为嵌入式控制器 embeddedmicrocontrollerunit 把嵌入某种微处理器或单片机的测试和控制系统称为嵌入式控制系统 embeddedcontrolsystem 嵌入式控制系统在航空航天 机械电子 家用电器等各个领域都有广泛应用 特别是家用电器领域是嵌入式控制系统最大的应用领域 mp3 mp4 mp5 数码像机 扫描仪 个人pc 车载电视 dvd pda 到处都可以看到嵌入式控制系统的应用 随着超大规模集成电路工艺和集成制造技术的不断完善 单片机的硬件集成度也在不断提高 已经出现了能满足各种不同需要 具有各种特殊功能的单片机 在8位单片机得到广泛应用的基础上 16位单片机和32位单片机也应运而生 特别是以arm技术为基础的32位精减指令系统单片机 riscmicroprocessor 的出现 由于其性能优良 价格低廉 大有取代16位单片机而成为高挡主流机型的趋势 嵌入式控制系统由于其内核嵌入的微处理器不同 在应用上大致分为两个层次 在系统简单 要求不高 成本低的应用领域 大多采用以mcs 51为代表的8位单片机 随着嵌入式控制系统与internet的逐步结合 pda 手机 路由器 调制解调器等复杂的高端应用对嵌入式控制器提出了更高的要求 在少数高端应用领域以arm技术为基础的32位精减指令系统单片机得到越来越多的青睐 嵌入式控制系统在高端应用领域还分为代嵌入式操作系统支持和不代嵌入式操作系统支持两种情况 4 2 2嵌入式控制系统的研究方法做为嵌入式控制器的单片机 不管是8位单片机还是16位单片机或32位单片机 由于受其本身资源限制 其应用程序都不能在其本身上开发 我们开发其应用程序 还需要一台通用计算机 如常用的ibm pc机或兼容机 mindows95 98 2000或xp操作系统 16m以上内存 20m以上硬盘内存空间即可满足要求 我们也称这台通用计算机为 宿主机 称做为嵌入式控制器的单片机为 目标机 应用程序在 宿主机 上开发 在 目标机 上运行 目标机 和 宿主机 之间利用计算机串口通过一台叫 仿真器 的设备相连 程序可以从 宿主机 传到 目标机 这也叫程序下载 也可以从 目标机 传到 宿主机 叫程序上传 应用程序通过 仿真器 的下载和上传 在 宿主机 上反复修改 这个过程叫 调试 调试好的应用程序 在 宿主机 上编译成 目标机 可以直接执行的机器码文件 通过一台叫 固化器 的设备下载并固化到 目标机 的程序存储器中 整个下载过程 叫烧片 也叫程序固化 程序固化是单片机开发的最后一步 以后 宿主机 和 目标机 就可以分离 宿主机 任务完成 目标机 就可以独立执行嵌入式控制器的任务 通过以上叙述可知 在 宿主机 上运行的开发工具软件的功能非常重要 我们也称这套开发工具软件为交叉编译环境 交叉编译环境首先应具有类似 word 的功能 对我们用c语言或汇编语言编写的程序进行编辑 同时它还具有调试和编译功能 可以把调试好的应用程序编译成 目标机 可以直接执行的机器码文件 4 2 3什么是嵌入式操作系统随着嵌入式控制系统的发展 应用程序变的越来越复杂 例如应用程序与internet的结合 多线程 复杂的数据处理 高分辨率图形图案显示等 如果没有操作系统支持 应用程序的编写和运行将变得非常困难 因此人们在 目标机 上和 嵌入式控制器 一同嵌入某种功能较强且占用内存较少的操作系统 该操作系统对用户程序提供内存管理 多线程 复杂的数据处理等技术支持 我们也把这种操作系统叫嵌入式操作系统 嵌入式操作系统有多种 如比较著名的windowsce linux c os 等等 特别是linux操作系统 由于代码简练 功能强大 内核公开等优点 获得广泛应用 采用linux操作系统来开发嵌入式系统 首先在 宿主机 上建立linux开发环境 这有二种作法 一是 宿主机 放弃原来的windows操作系统 改装linux操作系统 二是在原来的windows操作系统上安装一个虚拟机 在该虚拟机中安装linux操作系统 如cygwin1 5 10 可从下载并安装最新版本 接着我们要根据应用程序的需要编写一个驱动程序 把该驱动程序和linux操作系统一起编译 形成一个包含此驱动程序的linux内核可执行文件 将此文件下载到 目标机 今后 实现应用程序的功能 只须对内核中相应函数进行调用即可 4 3示教再现技术 4 3 1什么是示教再现我们在电视上经常看到这样画面 在汽车装配线 焊接机器人挥动手臂 快速准确的从一个位置移到另一个位置 完成复杂的焊接任务 在电视机装配线 机器手从元件盒中取出各种元件 准确无误的插到印刷电路板上 速度之快 准确度之高令人称奇 这些机器为什么会有如此神奇的功能呢 因为我们利用计算机的运算速度快 数据处理能力强的特点 采用了示教再现技术 示教再现技术就是在机器正式工作前 先对机器应该完成哪些动作 例如移动距离 速度 动作顺序等参数进行示教 控制计算机对这些参数进行了记录并存储 当正式工作时 机器就会将这些参数取出 再现示教过程 示教再现技术在工业上应用非常多 如各种焊接设备 柔性制造系统 自动装配线 手术监控系统 工业机器人 排爆装置 探险设备 家务机器人等等 示教再现技术是计算机 自动控制和电子技术等现代各种新技术综合应用的成功范例 4 3 2示教再现技术应用实例在无人加工车间 即fms flexiblemanufacturingsystem 有一个工件流子系统 在工件流子系统中运行一个数控制导小车 在运控软件的调度下 数控小车将加工件从装卸站运到加工中心加工 加工结束 小车又将加工好的工件运到清洗站清洗 清洗结束 小车将工件运到三坐标测量机进行测量 如测量合格 将工件运到装卸站 退出系统 在整个运行期间 如某工位忙 小车将工件运到缓冲站排队 整个工作过程在运控系统的调度下有条不紊进行 fms系统如图4 3所示 在小车的运行中 最重要的是小车到各站点的准确定位 定位精度不够 小车就不能完成取送工件的任务 小车的工作过程是应用示教再现技术实现的 对小车的示教是通过一个示教盒完成的 示教盒结构如图4 4所示 示教盒上开关功能如下 sa1是示教功能拨码开关 拨到1 按 键 小车前进100个脉冲当量 按 键 小车后退100个脉冲当量 拨到2 按 键 小车前进10个脉冲当量 按 键 小车后退10个脉冲当量 拨到3 按 键 小车前进1个脉冲当量 按 键 小车后退1个脉冲当量 拨到其他数字 是其它功能 sa2是站点号 示教时小车从原点出发 内部累加器清0 先示教小车到缓冲站1的距离 sa2此时拨到1 表示正在示教1号站点 sa1拨到1 反复按 键 每按一次小车前进100 内部累加器也加100 接近1号站点后 sa1拨到2 反复按 键 每按一次小车前进10 内部累加器也加10 进一步接近1号站点后 sa1拨到3 反复按 键 每按一次小车前进1 内部累加器也加1 如果超过站点 sa1拨到1 2或3 配合 键 小车将后退相应距离 累加器要减去相应距离 示教位置是否准确 由机械系统效对 示教结果满足机械精度要求 按 存储 键 图4 4示教盒结构 累加器内容存储到带掉电保护的与1号站点相对应的ram区 该结果就是小车从原点到1号缓冲器的脉冲数 与此类似 求出1号站点到2号站点距离 2号站点到3号站点距离 所有这些相对距离求出后 每个站点到原点的距离也就知道了 通过示教还可以求出小车其它动作距离 速度等参数 示教盒上有一条信号线 当把示教盒插入计算机时 计算机能检测到该信号 此时计算机工作在示教状态 当把示教盒拔出计算机时 计算机工作在再现状态 在运控软件调度下 小车按示教数据运行 小车在运行过程中 要永远记住自己当前位置 以便到下一站点前 准确计算出相对距离 正确到达 遇到紧急情况 如系统掉电 小车停在非站点位置 利用示教盒系统也能很快恢复 具体做法是 先将示教盒插入系统 使计算机工作在示教状态 找离小车最近的站点 例如6号站点 利用sa1的功能1 3和 键将小车点动到6号站点 对好站点位置 将sa2打到6 按 自动 键 小车就会从6号站点按该站原来示教数据 开回原点 恢复系统 4 4机器人技术 4 4 1机器人技术概述工业机器人由计算机 机械操作机构 伺服驱动系统和检测传感装置构成 是一种仿人操作 自动控制 可重复编程 能在三维空间完成各种作业的机电一体化生产设备 特别适合于多品种 变批量的柔性生产 它对系统稳定 提高产品质量 提高生产效率 改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用 机器人技术是综合了计算机 控制论 机构学 信息和传感技术 人工智能 仿生学等多学科而形成的高新技术 是当代研究十分活跃 应用日益广泛的领域 机器人应用水平 是一个国家工业自动化水平的重要标志 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动 而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置 既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力 又有机器可长时间持续工作 精确度高 抗恶劣环境的能力 从某种意义上说它也是机器的进化过程产物 它是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备 4 4 2机器人技术现状及国内外发展趋势国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势 1 工业机器人性能不断提高 高速度 高精度 高可靠性 便于操作和维修 而单机价格不断下降 平均单机价格从91年的10 3万美元降至现在的6 5万美元 2 机械结构向模块化发展 例如关节模块中的伺服电机 减速机 检测系统三位一体化 由关节模块 连杆模块用重组方式构造机器人整机 3 工业机器人控制系统向基于pc机的开放型控制器方向发展 便于标准化 网络化 大大提高了系统的可靠性 易操作性和可维修性 4 机器人中的传感器作用日益重要 除采用传统的位置 速度 加速度等传感器外 装配 焊接机器人还应用了视觉 力觉等传感器 而遥控机器人则采用视觉 声觉 力觉 触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制 多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用 5 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统 而是致力于操作者与机器人的人机交互控制 即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统 使智能机器人走出实验室进入实用化阶段 我国的工业机器人技术从80年代开始起步 目前已基本掌握了机器人的结构设计制造技术 控制系统硬件和软件设计技术 开发出喷漆 弧焊 点焊 装配 搬运等机器人 但总的来看 我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外相比还有一定的距离 如 可靠性低于国外产品 应用领域窄 生产线系统技术与国外比有差距 在应用规模上 没有形成机器人产业 因此迫切需要解决产业化前期的关键技术 对产品进行全面规划 搞好系列化 通用化 模块化设计 积极推进产业化进程 4 4 3机器人技