Информационные технологии при проектировании высокомоментного линейного привода с цифровым программным управлением

При разработке такого устройства, используя современные компьютерные технологии, необходимо решить следующие задачи:

- разработать структурную схему процесса разработки, задача будет решена, используя программу SPlan;

- произвести математический расчет динамических и точностных характеристик, задача будет решена, используя пакет Mathematica 5.0;

- разработать комплект конструкторской документации, задача будет решена, используя пакеты AutoCAD и SPlan;

- разработать систему управления, задача будет решена, используя специализированное программное обеспечение Xilinx;

- разработать прикладное программное обеспечение, задача будет решена, используя язык программирования СИ.

2.1 Построение структурной схемы процесса разработки высокомоментного линейного привода с цифровым программным управлением с применением современных компьютерных технологий

Как уже ранее говорилось для построения структурной схемы процесса выполнения задачи можно применять различные программные средства. Для построения обобщенного алгоритма проектирования и изготовления высокомоментного линейного привода с цифровым программным управлением (ПЛС) применяли программу SPlan, как наиболее простую и не требующую длительного времени для освоения. Общий вид программы представлен на Рис. 2.2.

Рисунок 2.2.- Общий вид программы SPlan.

Для построения структурной схемы процесса разработки и изготовления ПЛС в SPlan существует библиотека стандартных, геометрических фигур (прямоугольник, круг, многогранник, линия), при построении удобно применять сетку и привязку к ней Опции/ Привязка к сетке. Размер сетки устанавливается в окне Опции/ Размеры сетки. Используя библиотеку геометрических фигур и соединительные стрелки из библиотеки Символы в выпадающем меню с левой стороны основного окна, строим обобщенную структурную схему разработки и изготовления ПЛС.

Для введения в блоки необходимого текста имеется соответствующая опция обозначенная ab| или если необходимо ввести большой текст.

Первым этапом установили размер сетки равный 1 мм и привязку к ней. Используя опцию Прямоугольник, на панели инструментов, строим предполагаемое количество блоков и соединяем их стрелками из библиотеки Символы и линиями опции Линия. Рис. 2.3.

Рис 2.3.- Построение структурной схема процесса разработки и изготовления ПЛС.

Применяя описанную ранее опцию ab|, вписываем в блоки необходимый текст, задавая в окне размер шрифта 35.

Таким образом, структурная схема процесса разработки и изготовления ПЛС будет иметь вид Рис. 2.4.

Рис 2.4.- Структурная схема процесса разработки и изготовления ПЛС.

2.2 Математический расчет динамических и точностных характеристик высокомоментного линейного привода с цифровым программным управлением

Очевидно, что по мере усложнения устройства усложняется и расчет его конструкционных параметров, динамических, точностных и прочностных характеристик. Возникает необходимость построения сложных зависимостей в виде графиков, решения сложных уравнений, дифференциальных уравнений, систем дифференциальных уравнений. В этих случаях никак не обойтись без современных математических пакетов. Для расчета конструкционных параметров, динамических, точностных и прочностных характеристик ПЛС применяли математический пакет Mathematica 5.0, поскольку он дает возможность решать уравнения в символьном виде, а так же дает возможность обрабатывать результаты экспериментов из файлов *.txt.

При необходимости можно добавлять или убирать палитры File/Palettes. Данный пакет имеет удобную для ввода формул палитру весьма схожую с привычной для нас палитрой для ввода формул в Word. Для того чтобы пакет выполнил вычисления необходимо после каждой формулы набирать Ctrl+Shift. Для построения графиков и зависимостей используют функцию Plot , а при необходимости ее расширенные возможности (например ParametricPlot[{?,?},{?,?,?}],Plot3D[?,{?,?,?},{?,?,?}]).

Общий вид представлен на Рис 2.5.

Рисунок 2.5.- Общий вид пакета Mathematica 5.0.

Для расчета точностных характеристик ПЛС, т.е для расчета методики определения положения статора двигателя относительно его ротора в любой момент времени использовали систему Mathematica 5.0.

Поскольку вычисления не требовали использования сложный функций, решения дифференциальных уравнений, вычислений интегралов и т.д. использовали только палитру алгебраических вычислений. Как уже ранее говорилось, ввод формул не представляет трудностей, поскольку весьма схож с редактором формул Word. Необходимо просто нажать мышкой по нужной операции или формуле в палитре. Пример расчета динамических характеристик ПЛС приведен на Рис. 2.6.

Рисунок 2.6.- Фрагмент расчета динамических характеристик ПЛС в пакете Mathematica 5.0.

В дальнейшем Mathematica будет использоваться при обработке результатов испытаний, используя следующую команду val=ReadList["D:\\Work\\exp1\\res.txt",Number,RecordList->True], чтобы построить график по этим данным необходимо ввести ListPlot[val].

При необходимости формулы и числовые выражения легко переносятся в Word.

2.3 Разработка комплекта конструкторской документации для высокомоментного линейного привода с цифровым программным управлением

Комплект конструкторской документации для высокомоментного линейного привода с цифровым программным управлением представляет собой комплект чертежей деталей и сборочных единиц, комплект электрических схем блока управления и спецификации к ним.

2.3.1 Геометрическое моделирование высокомоментного линейного привода с цифровым программным управлением

Для разработки комплекта конструкторской документации (КД) на предприятиях машиностроительного комплекса широко используется AutoCAD. При разработке комплекта КД для высокомоментного линейного привода с цифровым программным управлением так же использовали AutoCAD 2004, поскольку данный пакет имеет русифицированный интерфейс и используется на предприятии-изготовителе. Общий вид программы представлен на Рис. 2.7.

Рисунок 2.7.- Общий вид AutoCAD 2004.

AutoCAD 2004 имеет набор примитивов с помощью которых быстро и удобно чертить. Примитивы расположены в левой части окна или во вложенном меню Рисование. Начиная работу удобно выбираем рабочую область Формат/ Лимиты рисования, задаем в командной строке координату по X и поY, сетку GRID (внизу экрана), а и привязку к сетке SNAP. Вверху экрана в соответствующем окне необходимо установить форму и толщину линий. Удобно при черчении использовать разные слои, например, разделить слои со вспомогательными линиями, основной чертеж и размеры. Можно чертить используя примитивы на панели инструментов, но в данном случае необходимы точные размеры, поэтому чертится, используя меню Рисование, откуда выбирается необходимый элемент. Сначала чертим вспомогательную осевую линию, чтобы она явно отличалась, выбираем желтый цвет и соответствующую форму линии из выпадающего меню. Поскольку необходимой линии нет в стандартной установке, ее следует добавить Other/Загрузить/Center. Чертим прямоугольник используя меню Рисование/Прямоугольник, в командной строке задаем начальную точку (X,Y) и конечную точку (X,Y). Поскольку устройство имеет большое количество одинаковых блоков достаточно начертить один комплекс а затем растиражировать их используя команду Копировать в буфер обмена и Вставить из буфера обмена вверху экрана на панели инструментов.

Устройство имеет сложное для черчения гибкое соединительное звено и поэтому вначале начертим один элемент, а потом используя вложенное меню Изменения, которое позволяет проводить корректировки начерченных элементов, скопируем отдельные элементы поворачивая их на заданный угол. При черчении других элементов устройства используем Привязку к конечной точке и Привязку к мнимому пересечению. На Рис. 2.8. представлен промежуточный этап черчения ПЛС.

Рисунок 2.8.- Этап разработки чертежа ПЛС.

Нанесение размеров на чертеж не вызывает трудностей, благодаря наличию специальной возможности на панели инструментов Линейное измерение. Активизировав необходимую команду, указываем нажатием мыши начало и конец измерения.

Если наносимый размер имеет допуск, то при нанесении его используют специальную опцию на панели инструментов, для получения в наносимом размере ± записывают %%Р. Фрагмент чертежа ПЛС представлен в приложении В.

2.3.2 Разработка электрической схемы высокомоментного линейного привода с цифровым программным управлением

Разработка электрической схемы в системе P-CAD требует от разработчика определенных навыков работы с данным пакетом, поскольку он предназначена для проектирования многослойных печатных плат (ПП) и имеет возможность сквозного проектирования. Если же такой задачи не ставится, то удобно применять программу SPlan, имеющую русифицированный интерфейс, довольно обширную библиотеку электрических элементов и рамок и штампов по ГОСТ и дающую возможность добавлять свои элементы.

Толщину линий задаем Опции/Параметры линий. Поскольку данная схема имеет шину, толщина ее должна заметно выделяться на фоне других соединительных линий. Установку сетки производим в меню Опции/Размеры сетки, или на панели инструментов вверху экрана. Удобно при построении больших схем использовать привязку к сетке Опции/Привязка к сетке.

Необходимые элементы просто переносим мышью из выпадающего меню. Причем библиотеки элементов на русском языке, что весьма удобно для начинающего разработчика или при отсутствии достаточного времени для освоения пакета. Если необходимо внести изменения в библиотечный элемент, то при нажатии правой клавишей мыши по элементу в появившемся меню нужно выбрать Свойства. Появится новое меню с атрибутами элемента, где можно задать новое имя, номинал, нумерацию и т.д. При нажатии на кнопку Редактор появляется возможность непосредственного редактирования геометрической формы элемента. Чтобы создать свой элемент необходимо выбрать Библиотека/Создать новый элемент, который будет сохранен в библиотеке MYDefine. Непосредственно при реализации данного проекта были созданы элементы Замыкающий контакт и Контакт с замедлением. Чтобы выделить пунктирной линией блоки задает соответствующий тип линии Опции/Параметры линий/Стиль.

Если возникает необходимость размещения схемы на двух и более листах необходимо выбрать Чертеж/Новый лист и в меню Чертеж/Параметры листа задать его размеры. Поскольку программа имеет библиотеку стандартных штампов их можно открыть Форма/Открыть форму.

Таким образом, например, электрическая схема системы контроля в SPlan будет иметь вид представленный на Рис 2.10.

Рисунок 2.10.- Схема электрическая принципиальная системы контроля.

2.4 Разработка блока управления для высокомоментного линейного привода с цифровым программным управлением

В блоке управления высокомоментным линейным приводом с цифровым программным управлением одна из функций управления будет осуществляется при помощи ПЛИС Xilinx. Программирование ПЛИС осуществляется в бесплатном САПР XILINX ISE 5.1 поскольку для реализации требуемой функции управления достаточно микросхемы CPLD серии 9500. При создании нового проекта File/New Progect система предлагает определить тип и серию микросхемы. В данном конкретном случае достаточно серии XC95108. Как уже ранее упоминалось проект можно описывать несколькими способами:

- с помощью диаграмм-состояний;

- с помощью стандартных библиотечных блоков(примитивов);

- на языке VHDL.

Проект будет иметь иерархическую структуру, поскольку схема будет постепенно усложняться, простые блоки будут входить в состав более сложных. Окно имеет вид Рис 2.11

Рисунок 2.11. - Общий вид проекта в САПР XILINX ISE 6.0

Для того чтобы задать, каким методом будет выполняться задача необходимо в выпадающем меню, при нажатии левой клавишей мыши по названию проекта выбрать New Sourse и определить способ. Расширение VHD будут иметь файлы, написанные на языке VHDL, SCH- файлы схемного редактора, DIA- файл с диаграммами-состояний.

На Рис. 2.11. 468339016- имя проекта, xc95108-20pq160- тип кристалла, причем 9500- серия, 108-ми выводной корпус, температурный предел -20, pq160- тип корпуса.

Mure_2.vhd- два работающих независимо друг от друга автомата Мура, на восемь состояний каждый.

Работа автоматов по сигналам CLK/DIR(частота/ направление).

Граф-схема для данного автомата представлена на Рис 2.12.

Переход между состояниями осуществляется по заднему фронту сигнала CLK1, по часовой стрелке: при UP1='1'; где UP= DIR1 and L1R and EN1; против часовой стрелки: при DOWN1='1'; где DOWN1= not DIR1 and L1L and EN1.

PHA10- фаза А , первого автомата, низкий уровень;

PHA11- фаза А , первого автомата, высокий уровень;

PHB10- фаза В, первого автомата, низкий уровень;

PHВ11- фаза АВ, первого автомата, высокий уровень;

L1L-граница слева;

L1R-граница справа;

Аналогично для второго автомата.

В данном проекте этот метод не использовался. Был сгенерирован VHDL код, который использовался при описании автоматов в файлах с расширением *.vhd

Рисунок 2.12.- Пример задания автомата Мура с помощью диаграмм-состояний.

Если в данном проекте часть требуемых функций была реализована путем описания на языке VHDL. Соответствующее окно открывается следующим образом: при нажатии правой клавишей мыши по названию проекта появляется меню, в котором выбираем VHDL Module, затем система предлагает ввести имя и входные и выходные. При написании проекта использовались примеры описания на языке VHDL стандартных элементов (триггера, компаратора, мультиплексора и т.д.) из вложенной библиотеки, активизируя окно Library View. Одна из функций, реализуемая этим способом представлена на Рис. 2.13.

Однако реализация всего проекта при описании на языке VHDL, весьма затруднительна. Поскольку требует не только хорошего владения схемотехникой, но и высокого уровня владения языком VHDL. Поэтому довольно много функций реализуется в схемном редакторе, т.к. он более простой и наглядный. Вызов его осуществляется, нажатием правой клавишей мыши по названию проекта и в появившемся меню, выбираем Schematic.

Рисунок 2.13. -Окно для реализации проекта на языке VHDL

Меню Symbols имеет обширную библиотеку элементов из которой выбираем необходимые просто перетаскивая мышью. Соединяем элементы между собой, выбрав на панели инструментов соответствующую функцию или Add/ Add Wire, где это необходимо подписываем сигналы Add/ Add New Name, в появившемся меню записываем имя сигнала и нажатием мыши надписываем над соответствующей линией. В готовой схеме назначаем входные и выходные порты(сигналы) Add/ Add I/O Marker. Одна из схем в этом редакторе приведены на Рис 2.14.

Реализация проекта осуществляется снизу вверх, т.е. "от простого к сложному". После каждой ступени необходимо синтезировать проект, нажатием Synthesize, для своевременной диагностики ошибок. Окно полного проекта было приведено на Рис. 2.11.

Рисунок 2.14.-Реализация проекта в схемном редакторе.

Пакет имеет возможность моделирования поведения по средствам ModelSim,(подробно описываться не будет) что бы посмотреть реализуется ли требуемая функция. Вызываем Test Bench Waveform, задаем уровень входных сигналов, частоту и время отработки. Пример окна с временными диаграммами приведен на Рис. 2.15

Рисунок 2.14.-Окно временных диаграмм.

2.5 Разработка управляющей программы для высокомоментного линейного привода с цифровым программным управлением

Поскольку разработка управляющей программы требует знаний языков программирования и определенных навыков написания управляющих программ вообще, разработку программы управления для ПЛС выполняли специалисты соответствующей квалификации. Фрагмент программы на языке СИ представлен на Рис. 2.16

Рисунок 2.16- Фрагмент управляющей программы для ПЛС.

Результат работы программы и окно управления для задания параметров работы ПЛС представлены на Рис. 2.17 (а,б)

Рисунок 2.17- Окно для задания параметров управления ПЛС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При разработке и внедрении в производство машиностроительного профиля нового изделия задействованы специалисты различного профиля и разного уровня квалификации. Но практически ни одна из стадий разработки в наше время не может обойтись без современных компьютерных технологий.

Современные программные средства позволяют снизить временные затраты, повысить качество и надежность изготавливаемой продукции, упростить процедуру тиражирования документации и запуск в серийное производство.

Используя Internet ресурсы специалисты имеют возможность без труда и минимальными временными затратами оценить существующие прикладные программные пакеты, их преимущества и недостатки, изучить соответствующую литературу.

Благодаря разнообразию предлагаемых программных продуктов разработчик имеет возможность выбора, в зависимости от уровня квалификации и объема времени, имеющегося на освоение нового программного продукта.

Первая глава посвящена обзору современных компьютерных технологий, применяемых для решения некоторых задач возникающих на этапах разработки и производства нового изделия машиностроительного профиля, среди них: разработка структурной схемы процесса проектирования, математический расчет, разработка комплекта конструкторской документации, разработка системы управления, разработка прикладного программного обеспечения. Даны основные характеристики некоторых из множества используемых программных средств и области их возможного применения. В Приложении А приведен анализ рассмотренных компьютерных технологий, применяемых на этапах разработки объекта машиностроительного профиля.

Во второй главе рассмотрено применение современных компьютерных технологий на отдельных этапах разработки нового устройства на примере разработки высокомоментного линейного привода с цифровым программным управлением.

Видно, что уже на стадии разработки современные компьютерные технологии дают возможность промоделировать поведение объекта, упростить и ускорить математические вычисления, оперативно вносить изменения на всех стадиях разработки, устраняя тем самым значительное число недочетов. За счет уменьшения времени на каждом этапе, общий период времени от возникновения идеи до выхода готовой продукции значительно сокращается.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. http://esco-ecosys.narod.ru/2005_7/art151/page1.htm (25.11.2005)

2. http://www.altera.ru/cgi-bin/go?19#n1 (25.01.2006 г.)

3. Хацук В. Проектирование цифровых схем на ПЛИС с использованием САПР XILINX ISE// Электроника.-2003г.- №7-8

4. Карпович С.Е., Дайняк И.В. Прикладная информатика.: Учеб. пособие. - Мн.: Выш. шк., 2001.- 326 с.

5. http://www.soft32.ru/literature.shtml?topic=cad&book=P-CAD&page=Glava%201/Index0.htm (25.11.2005)

6. Дьяконов В., Круглов В.Математические пакеты расширения MATLAB: Специальный справочник. - СПб.:Питер, 2001.-480с.

7. Александр Россоловский. AutoCAD. Настольная книга пользователя.-М.: Нолидж, 2000.928 с.

8. http://www.soft32.ru (25.01.2006г.)

9. http://aist.sibproject.ru/obzor/ascon/solidworks.htm (25.01.2006г.)

10. http://www.interface.ru/fset.asp?Url=/microsoft/msof2003_2.htm&anchor=11 (25.01.2006г.)

11. http://visio.artberg.ru/bib.htm(20.02.2006 г.)

Страницы: 1, 2, 3