Цифровая и микропроцессорная системы управления промышленного робота

При использовании в системах автоматического управления микро­процессор следует рассматривать как универсальную логическую структуру, приспосабливаемую программным путем для выполнения конкретных функций управления. Принцип использования микропро­цессора в системе управления рассмотрим на примере системы цик­лового управления перемещениями руки промышленного робота по двум координатам.

Принципиальная схема управления приводом робота показана на рис. 3.5. Пневмоцилиндр ЦП обеспечивает вертикальное перемещение руки робота. Управляется пневмоцилиндр от двухпозиционного распределителя ЗП с электромагнитным управлением. Горизонтальное движение руки имеет привод от пневмоцилиндра ЦP, управляемого двухпозиционным распределителем ЗР с электромагнитным управлением. Конечные выключатели S1, S2, S3, S4 являются датчиками сигналов обратной связи. Конечные положения перемещающихся органов опреде­ляются упорами, не показанными на схеме.

Таким образом, состояние привода в каждый момент времени опре­деляется комбинацией сигналов, поступавших от конечных выключате­лей S1, S2, S3, S4,и включением или выключением управлявших электромагнитов К1 и К 2 распределителей. Состояние конечных выключателей S1, S2, S3, S4 преобразу­ется в потенциальные сигналы Х1, Х2, Х3, Х4 (например, с помощью схемы включения, показан ной на рис. 3.6); они подаются на вход системы управления СУ. В зависи­мость от значения входных сигналов X и требуемой последовательности перемещений система управления СУ вырабатывает сигналы управления У1 и У2 распределителями К1 и К2.

Пусть требуется обеспечить цик­лические движения схвата робота по контуру 0АВС0, показанному на рис. 3.5, тогда граф функционирования привода робота будет иметь вид

 

Применительно к системе управления этот граф можно переписать следующим образом:

На основе графика функционирования систему управления можно опи­сать следующими структурными логическими формулами в виде дизъюнкции конъюнкций:

, .

После упрощений получаем конечные выражения

где Λ - символ операции конъюнкции; V – операция дизъюнкции.

Реализовать полученные логические зависимости можно либо тра­диционным путем проектирования специализированной логической струк­туры, либо путем программирования универсальной логической струк­туры (микропроцессора).

На рис. 3.7 показан пример реализации систе­мы управления структурным путем с использованием электронных логических элементов. Эта система будет обеспечивать подачу на привод, робота сигналов, реализующих заданный цикл движений. При необхо­димости обеспечения другой последовательности движений в цикле или иного цикла структура должна быть изменена.

Достоинством структур­ной реализации является отсутствие избыточности элементов и функций, что обеспечивает простоту и достаточно высокую надежность схемы. Однако эта простота приводит одновременно к малой гибкости (способности к перестройке) системы управления.

В качестве логической схемы, реализующей полученные выше структурные формулы системы управления, можно использовать и микропро­цессор. Микропроцессор оперирует с машинным словом в виде двоичного числа (кода) определенной разрядности. Значение двоич­ного разряда числа представляется при этом электрическим напряже­нием высокого (1) и низкого (0) уровня. Наиболее распространенные микропроцессоры имеют длину машинного слова в восемь бит (1 байт). Будем рассматривать входные сигналы системы управления X1, Х2, Х3, Х4 как некоторый двоичный код и припишем логические значения этих сигналов битам машинного слова (В - обозначение бита)

Бит машинного слова	В7	В6	В5	В4	В3	В2	В1	В0
Содержание бита	0		0	0	Х4	Х3	Х2	Х1

Аналогично в виде двоичного кода можно представить и выходные сигналы системы управления

Бит машинного слова	В7	В6	В5	В4	В3	В2	В1	В0
Содержание бита	0		0	0	0	0	У2	У1

Запись единицы в бите означает активный уровень соответствующего входного или выходного сигнала, запись нуля – отсутствие активного уровня сигнала. Двоичный код входных сигналов будем хранить в регистре ввода микропроцессо­ра, а двоичный код выходных сигналов - в регистре вывода.

В этом случае структуру системы управления с микропро­цессором можно представить в виде, показанном на рис. 3.8.

Усилители выходных сигналов использованы для согласования слаботочных логических выходов микропроцессора с мощной на­грузкой (электромагниты управ­ления распределителей). В памяти микропроцессора хранится программа, которая позволяет ему реализовать логические формулы, описывающие управление роботом. Для реа­лизации управления рассматри­ваемым циклом движений робота схема алгоритма работы микропроцессора показана на рис. 3.9.

Микропроцессор обращается к регистру ввода и осуществля­ет ввод двоичного кода Х со­стояния датчиков обратной свя­зи (блок 1). Затем в блоках 2 и 3 вычисляется значение логических функций М и L, соот­ветствующих функциям У1 и У2; при этом В1 - содержимое соот­ветствующего бита машинного слова.

Значения вычисленных логи­ческих функций проверяются в блоках 4 и 7, и если они равны единице, то в соответствующий бит регистра вывода также запи­сывается единица, если же функ­ции равны нулю, то в биты регистра вывода также записывают­ся нули. Это обеспечит нали­чие на выходах системы управле­ния управляющих сигналов, оп­ределяющих выполнение текущего элемента цикла движений робота. Задержка времени (блок 10), которая реализуется в виде подпрограммы работы микропроцессора, введена для получения требуемой периодичности опроса датчиков. По­скольку микропроцессор работает с тактовой частотой около 2 МГц, то без этой задержки ввод и вывод информации происходил бы излишне часто.

На основе рассмотренного алгоритма составляется конкретная программа, которая записывается в память процессора и организует его работу. При изменении цикла движений робота программа изменяется и система управления реализует новый алгоритм управления без каких-либо структурных изменений.

По сравнению с описанной выше структурной реализацией логичес­кой схемы управления, реализация на микропроцессоре обладает зна­чительной избыточностью. Так, например, набор команд микропроцес­сора составляет несколько десятков команд, а используется только часть из них, лишь частично используется машинное слово и т.д. Это допустимо в том случае, когда стоимость системы управления с микропроцессором соизмерима со стоимостью специализированных ло­гических структур системы управления, что обеспечивается при сов­ременном массовом производстве микропроцессоров в виде сверхбольших интегральных микросхем (СБИС) сравнительно невысокой стоимости.

Достоинством микропроцессорной системы управления является ее гибкость, универсальность и высокая степень унификации, которая выступает уже не на уровне элементной базы логической структуры, а на уровне системы управления в целом.