Устройство для управления копирующим манипулятором

Записка_курсач.docx

Описание функциональной схемы5
Выбор элементной базы7
1.Микросхема КР1554ЛА2 логический элемент 8И-НЕ8
2.Микросхема К1554ЛЛ1 четыре логических элемента 2ИЛИ8
3.Микросхема КР1554ЛН1 шесть логических элементов НЕ9
4.Микросхема КР1554ЛП5 четыре логических элемента сключающее ИЛИ9
5.Микросхема К1564КТ3 четыре аналоговых ключа10
6.Микросхема К1554ТМ5 четыре D-триггера с прямыми выходами10
7.Микросхема К1554ТВ6 JK – триггер11
8.Микросхема К1554ЛА3 четыре логических элемента 2И-НЕ11
9.Микросхема К572ПА1 цифро-аналоговый преобразователь12
10.Микросхема К140УД9 операционный усилитель12
11.Генератор тактовых импульсов13
12.Магнитный датчик-преобразователь ДП-514
13.Тензометрическая мостовая схема с ОУ15
14.Инвертирующий усилитель15
15.Инвертирующий сумматор16
16.Микросхема К1554ИР1 четырехразрядный универсальный сдвиговый регистр16
18.Усилитель с регулируемой зоной нечувствительности18
19.Микросхема КР1554ИР8 восьмиразрядный реверсивный сдвиговый регистр18
20.Моментный загружатель19
22.Шаговый электродвигатель20
Описание работы принципиальной схемы21
Расчет трансформатора блока питания22
Электроника охватывает обширный раздел науки и техники связанный с изучением и использованием различных физических явлений а также разработкой и применением устройств основанных на протекании электрического тока в вакууме газе и твердом теле. Промышленная электроника радиоэлектроника и микроэлектроника являются важнейшими составными частями электроники.
Микроэлектроника является одной из наиболее быстро развивающихся областей науки и техники. Непрерывно улучшаются технические характеристики и расширяются функциональные возможности интегральных микросхем. Совершенствование интегральных микросхем будет продолжаться хотя темпы этого процесса будут постепенно замедляться по мере приближения параметров микросхем к предельным значениям определяемым принципиальными физическими ограничениями. Совершенствование микросхем достигается благодаря прогрессу во всех трех основных разделах микроэлектроники - физике технологии и схемотехнике.
По схемотехническим признакам микросхемы делятся на ряд классов. Основной функцией выполняемой интегральными микросхемами является обработка информации заданной в виде электрического сигнала: напряжения или тока. Электрические сигналы могут представлять информацию в непрерывной или дискретной форме. Микросхемы выполняющие обработку этой информации называются соответственно аналоговыми или цифровыми.
В цифровой микросхеме простейшие логические операции осуществляются с помощью логических элементов. В начале развития микроэлектроники каждая микросхема содержала обычно всего один логический элемент. По мере развития технологии на кристалле микросхемы стали размещать наборы таких элементов. А затем соединять их в логические структуры. При этом принципиальная схема логического элемента не менялась.
Однако с течением времени импульсные параметры микросхем оказались не достаточными и приходилось расширять диапазоны быстродействия экономичность и помехоустойчивость микросхем за счет новой принципиальной схемы логического элемента. За четверть века последовательно сменилось около десятка таких схем.
Расширение сферы использования электроники - главная особенность научно-технического прогресса на современном этапе развития человечества.
Описание функциональной схемы
Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании систем контурного программного управления манипулятором. Данная система содержит носитель данных с записью управляющей программы считывающее устройство усилители устройство сравнения фаз сигнала датчик обратной связи и исполнительный двигатель. В ней используется сложный процесс точного позиционирования манипулятора.
На рисунке 1.1 изображена функциональная схема устройства.
Рисунок 1.1 — Функциональная схема устройства
Система содержит логический элемент И [15] элемента памяти[16] ключа[9] нуль-органа[11] триггера[13] релейного усилителя[14] моментного загружателя[2] датчиков углов задающего[3] и исполнительного[5] органов двигателя[4] датчика момента[6] сумматора[7] усилителя мощности[10] и усилителя с регулируемой зоной нечувствительности[12].
Сущность изобретения – усовершенствование имеющегося устройства для управления копирующим манипулятором. Исходное устройство содержит датчики положения задающего и исполнительного органов датчики момента задающего и исполнительного органа сумматора усилителей и приводов.
Расширение функциональных возможностей устройства достигается последовательно соединенными элементом «И» и элементом памяти а так же в каждом блоке задания координат последовательно соединенные ключ нуль-орган триггер и релейный усилитель.
Выбор элементной базы
В данном проекте применены быстродействующие цифровые логические КМОП микросхемы серии КР1554 они предназначены для использования в высокороизводительных системах обработки информации широкого применения. Предпочтение было отдано данной серии микросхем благодаря их высокому быстродействию в сочетании с низкой потребляемой мощностью и большой нагрузочной способностью. Широкий набор микросхем серии КР1554 позволяет создавать вычислительные устройства и устройства цифровой автоматики с качественно новыми характеристиками и высокими технико-экономическими показателями.
Конструктивно микросхемы оформлены в пластмассовые корпуса типа DIP с шагом 25 мм с количеством выводов от 14 до 24 и стандартным расположением выводов «питание» «земля».
Технические характеристики:
Диапазон напряжений питания 2В-6В;
Тактовая частота до 150 МГц;
Большой выходной ток нагрузки низкого и высокого уровней 24 мА;
Гарантированные характеристики в диапазоне температур от -45°С до +85°С и напряжений питания 5В±10%;
Высокая устойчивость к статическому электричеству.
Ток потребляемый в статическом режиме не превышает 4 мкА
1.Микросхема КР1554ЛА2 логический элемент 8И-НЕ
Микросхема КР1554ЛА2 представляет собой логический элемент 8И-НЕ. Условно-графическое изображение представлено на рисунке 2.1.1. Логический элемент реализует функцию конъюнкции (логическое умножение) называется схемой совпадения. Мнемоническое правило для конъюнкции с любым количеством входов звучит так: на выходе будет «1» тогда и только тогда когда на всех входах действуют «1» «0» тогда и только тогда когда хотя бы на одном входе действует «0».
2.Микросхема К1554ЛЛ1 четыре логических элемента 2ИЛИ
Микросхема КР1554ЛЛ1 представляет собой четыре логических элемента 2ИЛИ. Условно-графическое изображение представлено на рисунке 2.2.1. Логический элемент реализует функцию дизъюнкции (логическое сложение). Мнемоническое правило для дизъюнкции с любым количеством входов звучит так: на выходе будет «1» тогда и только тогда когда хотя бы на одном входе действует «1» «0» тогда и только тогда когда на всех входах действуют «0».
В устройстве микросхема подключена таким способом что элементы 8-ми разрядного кода поступающего с выхода сумматора попарно сравниваются друг с другом. Если хотя бы один разряд двоичного числа имеет уровень логической «1» то на выходе замыкающего элемента 2ИЛИ установиться уровень соответствующий «1». В ином случае устанавливается уровень «0» который будучи поданным на инвертор активирует JK-триггер.
3.Микросхема КР1554ЛН1 шесть логических элементов НЕ
Микросхема КР1554ЛН1представляет собой шесть логических элементов НЕ. Условно-графическое изображение представлено на рисунке 2.3.1. Логический элемент реализует функцию отрицания. Мнемоническое правило для отрицания звучит так: на выходе будет «1» тогда и только тогда когда на входе «0» «0» тогда и только тогда когда на входе «1».
В схеме используется для инвертирования сигнала поступающего с выхода сумматора для получения обратного кода на входе сумматора и в качестве источника сигнала логической «1» на неиспользуемых входах микросхем.
4.Микросхема КР1554ЛП5 четыре логических элемента исключающее ИЛИ
Микросхема КР1554ЛЛ1 представляет собой четыре логических элемента исключающее ИЛИ. Условно-графическое изображение представлено на рисунке 2.4.1. Логический элемент реализует функцию эквивалентности (равнозначности). Мнемоническое правило эквивалентности с любым количеством входов звучит так: на выходе будет «1» тогда и только тогда когда на входе действует четное количество «0» тогда и только тогда когда на входе действует нечетное количество.
5.Микросхема К1564КТ3 четыре аналоговых ключа
Микросхема К561КТ3 представляет собой четыре аналоговых ключа. Предназначена для коммутации цифровых и аналоговых сигналов. Условно-графическое изображение представлено на рисунке 2.5.1.
6.Микросхема К1554ТМ5 четыре D-триггера с прямыми выходами
Микросхема К1554ТМ5 представляет собой четыре D-триггера с прямыми выходами. Условно-графическое изображение представлено на рисунке 2.6.1. D-триггер запоминает состояние входа и выдаёт его на выход. D-триггер имеет шесть входов: четыре информационных D и два синхронизации С. После прихода активного фронта импульса синхронизации на входы С D-триггер открывается. Сохранение информации в D-триггерах происходит после спада импульса синхронизации С. Так как информация на выходе остаётся неизменной до прихода очередного импульса синхронизации.
Микросхема используется совместно с исключающим ИЛИ на выходе магнитного датчика-преобразователя ДП-5 для конвертации кода Грея поступающего с датчика в бинарный код использующийся в схеме.
7.Микросхема К1554ТВ6 JK – триггер
Микросхема К1554ТВ6 представляет собой два JK - триггера. Установочный вход связан с нуль-органом а вход сброса – с элементом памяти. Условно-графическое изображение представлено на рисунке 2.7.1.
8.Микросхема К1554ЛА3 четыре логических элемента 2И-НЕ
Микросхема КР1554ЛА3 представляет собой четыре логических элемента 2И-НЕ. Условно-графическое изображение представлено на рисунке 2.8.1. Логический элемент реализует функцию инверсии конъюнкции (штрих Шеффера). Мнемоническое правило для И-НЕ с любым количеством входов звучит так: на выходе будет «1» тогда и только тогда когда хотя бы на одном входе действует «0» «0» тогда и только тогда когда на всех входах действуют «1».
9.Микросхема К572ПА1 цифро-аналоговый преобразователь
Микросхема КР572ПА1 представляет собой цифро-аналоговый преобразователь. Условно-графическое изображение представлено на рисунке 2.9.1. Микросхема предназначена для преобразования 10-разрядного прямого параллельного двоичного кода на цифровых входах в ток на аналоговом выходе который пропорционален значениям кода и опорного напряжения. Для работы в режиме с выходом по напряжению к микросхеме подключается внешний источник опорного напряжения и операционный усилитель с целью создания отрицательной обратной связи работающей в режиме суммирования токов.
10.Микросхема К140УД9 операционный усилитель
Микросхема К140УД9 представляет собой операционный усилитель средней точности общего применения. Условно-графическое изображение представлено на рисунке 2.10.1.
В данной схеме используется на выходе цифро-аналогового преобразователя для создания отрицательной обратной связи в схемах инвертирующего усилителя усилителя с регулируемой зоной нечувствительности нуль-органа и инвертирующего сумматора.
11.Генератор тактовых импульсов
Схема представляет собой кварцевый генератор на логической микросхеме предназначенный для работы с кварцами на диапазоне 1-10 МГц. В генераторе использована микросхема К1554ЛА3 содержащая четыре двухвходовых логических элемента «И-НЕ».
Два элемента используются непосредственно в генераторе еще один – в формирователе импульсов. Резисторы R3 и R4 обеспечивают подачу начального смещения на входы логических элементов для обеспечения «мягкого» возбуждения генератора. Кварцевый резонатор работает на последовательном резонансе. Конденсатор C2 позволяет в некоторых пределах изменять генерируемую частоту. Уменьшение его емкости приводит к повышению частоты генерации.
Выходной сигнал генератора – прямоугольные импульсы амплитудой 5 В. Схема представлена на рисунке 2.11.1.
12.Магнитный датчик-преобразователь ДП-5
Магнитный датчик-преобразователь ДП-5 представляет собой магнитный кодовый преобразователь и предназначен для измерения и преобразования угла поворота ротора привода в цифровой код и выдачи кода цифровому вычислительному устройству. Условно-графическое изображение представлено на рисунке 2.12.1. Магнитный кодовый диск имеет 8 дорожек а система считывания – 8 головок. На выходе преобразователя снимается параллельный код Грея.
Считывающая головка представляет собой трансформатор имеющий две обмотки: опроса и считывания. При подаче импульса опроса в соответствующую обмотку возникает магнитный поток величина которого зависит от того как расположена кодирующая дорожка под головкой считывания. Если под головкой находится выфрезерованная часть дорожки то поток создаваемый импульсом опроса замыкается по воздуху. При этом магнитное сопротивления велико и незначительное изменение магнитного потока создает в обмотке считывания сигнал помехи который интерпретируется как логический ноль. Когда под головкой находится невыфрезерованная часть то располагаясь близко от нее магнитный поток замыкает по магнитному материалу уменьшается магнитное сопротивление и изменение магнитного потока создает в обмотке считывания сигнал который интерпретируется как логическая единица.
13.Тензометрическая мостовая схема с ОУ
Тензометрическая мостовая схема с ОУ представлена на рисунке 2.13.1. Тензорезисторы предназначены для измерения напряжений возникающих на поверхности различных деталей. С помощью тензорезисторов можно измерять степень сжатия и растяжения скручивания изгиба. При известном модуле Юнга и профиле изделия можно расчитать прикладываемые к изделию силы. Погрешность нелинейности корректируется путем введения цепи положительной ОС (резистор R3).
14.Инвертирующий усилитель
Инвертирует и усиливает напряжение (то есть умножает напряжение на отрицательную константу). Инвертирующий усилитель представлен на рисунке 2.14.1.
15.Инвертирующий сумматор
Инвертирующий сумматор формирует алгебраическую сумму нескольких напряжений и меняет ее знак на противоположный. Инвертирующий сумматор представлен на рисунке 2.15.1
16.Микросхема К1554ИР1 четырехразрядный универсальный сдвиговый регистр
Микросхема представляет собой четырехразрядный универсальный сдвиговый регистр. Универсальные регистр позволет производить как последовательную так и параллельную запись и считывание. Такие регистры можно использовать в качестве преобразователя параллельного кода в последовательный и обратно. Регистр работает в режиме сдвига по тактовым импульсам поступающим на вход С1 если на входе имеется напряжение низкого уровня. Вход V1 служит для ввода информации в первый разряд в этом режиме. Если же на входе V2 напряжение высокого уровня то регистр производит параллельную запись информации со входов D1-D4 по импульсам синхронизации поступающим на вход С2. Условно-графическое изображение представлено на рисунке 2.16.1.
Нуль-орган - сравнивающее устройство автоматических измерительных приборов работающих по нулевому методу. Нуль-орган определяет момент перекомпенсации и оставляет ключи либо в замкнутом положении либо отключает их.
В схеме нуль-органа ОУ усиливает разность напряжений Uy — uоп 0001В с большим коэффициентом усиления до максимального значения выходного напряжения uвых которое снимается с резистора R4 и далее преобразуется в кратковременный импульс напряжения uвыхНО. Нуль-орган представлен на рисунке 2.17.1
18.Усилитель с регулируемой зоной нечувствительности
Во многих случаях наличие зоны нечувствительности полезно и необходимо для нормальной работы устройств и специально предусматривается при конструировании элементов. Реле триггеры некоторые типы усилителей и другие элементы должны срабатывать только при достижении определенного значения входного сигнала. Такие элементы называют пороговыми. Наличие порогов чувствительности в частности позволяет осуществить эффективную защиту от помех (элемент не реагирует на воздействие входной величины если она ниже заданного порога срабатывания).
Регулирование зоны нечувствительности достигается включением с цепь обратной связи двух встречно включённых стабилитронов. Усилитель с регулируемой зоной нечувствительности представлен на рисунке 2.18.1
19.Микросхема КР1554ИР8 восьмиразрядный реверсивный сдвиговый регистр
Микросхема К1554ИР8 представляет собой 8 – разрядный синхронный реверсивный регистр сдвига. Условно-графическое изображение представлено на рисунке 2.19.1. Регистр предназначен для кратковременного хранения и преобразования многоразрядных двоичных чисел. В данном проекте микросхема К1554ИР8 используется как часть схемы управления двухтактным шаговым двигателем.
20.Моментный загружатель
В системах одностороннего действия происходит лишь односторонняя передача воздействия человека-оператора на манипулятор без ответных воз-действий со стороны манипулятора на человека. Имеется только внутренняя обратная связь по положению в системе «задающее устройство-манипулятор». Недостатком является то что оператор не чувствует рабочих усилий при действиях манипулятора.
Поэтому часто копирующую систему одностороннего действия снаб-жают устройством пассивного отражения усилий от рабочего манипулятора на руку человека-оператора. Таким устройством может служить моментный загружатель создающий сопротивление движению данного звена задающего устройства пропорциональное моменту в соответствующем звене рабочего манипулятора вызванному внешним воздействием со стороны объекта работ. Копирующие системы двухстороннего действия отличаются тем что приводы устанавливаются не только на рабочем манипуляторе но и в задающем устройстве. Благодаря этому в системе двухстороннего действия передача обеих величин (перемещение и усилие) происходит в двух направлениях – от задающего устройства к манипулятору и обратно. Таким образом здесь имеет место активное отражение усилий от манипулятора на руку человека через задающее устройство. Обратимые системы двухстороннего действия могут быть симметричными и несимметричными.
Задающий орган представляет собой механизм кинематически полностью подобный рабочему манипулятору. При этом каждый шарнир задающего механизма связан по принципу следящей системы с соответствующим шарниром рабочего манипулятора.
22. Шаговый электродвигатель
Шааговый электродвиигатель — это синхронный бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками в котором ток подаваемый в одну из обмоток статора вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора.
Описание работы принципиальной схемы
Звенья задающего органа перемещаются до момента совпадения углового положения любого из них с угловым положением соответствующего ему звена исполнительного органа при этом сигнал рассогласования становится равным нулю в результате чего на выходе нуль-органа появляется сигнал. Этот сигнал переключает триггер в состояние при котором с его выхода поступает сигнал на вход усилителя и вызывает срабатывание моментного загружателя который фиксирует согласованное положение пары звеньев манипулятора.
Одновременно с этим сигнал с триггера подается также на логический элемент И. Когда на вход элемента И подаются сигналы с триггеров всех трех координатных осей (что соответствует согласованному положению всех пар звеньев манипулятора) сигнал с выхода элемента И через элемент памяти подается на управляющие входы ключей вызывая их срабатывание. Выход усилителя соединенного с сумматором переключается со входа нуль-органа на вход усилителя мощности соединенного с двигателем.
В то же время сигнал с элемента памяти поступает на управляющие входы триггеров возвращая их в исходное состояние. При этом происходит расфиксация всех осей задающего органа вследствие отключения моментных загружателей. Манипулятор согласован и готов к работе. Сброс элемента памяти происходит при отключении питания.
Данная схема работает с частотой 10МГц что позволяет добиться большой точности позиционирования и высокого быстродействия работы.
Расчет трансформатора блока питания
Схема трансформатора блока питания представлена на рисунке 4.1.
Исходные данные для расчета трансформатора:
Напряжение питающей сети:U1=220 B
Напряжение на зажимах стабилизированного источник питания:
U2=5 B U3=15 B U4=-15 B U5= 24B U6=24B
Токи потребляемые микросхемами:
Номинальные токи вторичных обмоток примем равными удвоенному значению токов потребляемых схемой:
I2=1.794 A I3=0120 A I4=0112 A I5=02 A I6=02 A.
Рассчитаем напряжения на зажимах трансформатора:
где 2В и 4В падение напряжения на диодах и стабилизаторе; ; ; .
Суммарная потребляемая мощность:
Габаритная мощность трансформатора :.
Ток первичной обмотки: .
Выбираем сердечник трансформатора с параметрами ШЛ 20х28
Рассчитаем количество витков в обмотках:
Выберем диаметр провода и посчитаем толщину слоев занимаемых всеми обмотками:
а) первичная обмотка:
площадь сечение провода первичной обмотки рассчитывается по формуле: ыбираем провод диаметром в изоляции .
Количество витков в одном слое рассчитывается по формуле:где k=1.05 коэффициент неплотности обмотки.
Определим количество слоёв:
Толщина обмотки определяется по формуле:
б) вторичные обмотки:
площадь сечения провода первой вторичной обмотки рассчитывается по формуле :
выбираем провод диаметром в изоляции .
Количество витков в одном слое:
где k=1.05 коэффициент неплотности обмотки.
Площадь сечения провода второй вторичной обмотки рассчитывается по формуле :
Количество витков в одном слое :
где k=1.05 коэффициент не плотности обмотки.
Площадь сечения провода третьей вторичной обмотки рассчитывается по формуле:
выбираем провод диаметром в изоляции.
Площадь сечения провода четвертой вторичной обмотки рассчитывается по формуле:
Площадь сечения провода пятой вторичной обмотки рассчитывается по формуле:
Общая толщина обмоток:
т.к. то обмотки помещаются на сердечнике.
Рассчитаем емкости конденсаторов:
Конденсаторы С15 С16 С17 С18 С19 емкостью 0.1 мкФ предназначены для фильтрации высокочастотной составляющей. Конденсаторы С20 С21 С22 С23 С24 принято брать емкостью 0.1 от С10 С11 С12 С13 С14 соответственно.
Целью данного курсового проекта была реализация системы контурного управления манипулятором на основе быстродействующих цифровых логических КМОП микросхем серии КР1554. В процессе реализации системы пришлось охватить почти весь курс схемотехники. Все задачи поставленные в данном курсовом проекте были выполнены.
Зельдин Е. А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. — Ленинград: Энергоатомиздат. Ленинградское отделениение 1986 г.
Цифровые интегральные микросхемы: справочникМ. И. Богданович [ и др.]. — Минск: Беларусь 1991 г.
Белянин П. Н. Промышленные роботы. — Москва: Машиностроение 1973 г.

курсач.dwg

БНТУ 107119.16.00.000
Система контурного программного управления манипулятором
БНТУ 107119.11.00.000
Система управления копирующим манипулятором

Курсач_спец.spw