/
Автор: Орловский Б.В.
Теги: швейная промышленность производство одежды индустрия красоты швейное производство швейные машины автоматизация организация производства
ISBN: 5-7088-0280-4
Год: 1988
Текст
для техникумов
Б. В. Орловский
ОСНОВЫ
АВТОМАТИЗАЦИИ
ШВЕЙНОГО
ПРОИЗВОДСТВА
2-е издание, переработанное и дополненное
Допущено Министерством легкой
промышленности СССР в качестве учебника для
средних специальных учебных заведений легкой
промышленности
Библиотека
легкой промышленности
www.t-stile.info
cxJD
Москва
Легпромбытиздат
1988
ББК 37.24-5
0-66
УДК [658.011.56:687] @75.32)
Рецензенты: канд. техн. наук Н. И. Джус (ВИПКлегаром),
С. К. Ященков (Калининградский механико-технологический техникум)
Орловский Б. В.
0-66 Основы автоматизации швейного производства:
Учеб. для сред. спец. учеб. заведений. - 2-е изд., перераб.
и доп. — М.: Легпромбытиздат, 1988. - 248 с: ил. —
ISBN 5-7088-0280-4.
Рассмотрены элементы автоматики и основы
вычислительной техники. Описаны системы автоматизации, применяемые
на подготовительно-раскройном, швейном участках и участке
влажно-тепловой обработки. В отличие от первого издания
A973 г.) учебник переработан и дополнен в соответствии с
современными требованиями ускорения научно-технического
прогресса в швейном производстве и швейном машиностроении на
основе технических и программных средств микропроцессорной
техники.
Для учащихся средних специальных учебных заведений.
О
3010102000- 115
044@1) -88
ISBN 5-7088-
(доп. тираж)
-0280-4
Св. план для сред,
спец. учеб. заведений,
1988, № 177
ББК 37.24-5
© Издательство „Легкая
промышленность и бытовое обслуживание",
1988
ПРЕДИСЛОВИЕ
За время, прошедшее с момента
первого издания учебника „Основы автоматизации швейного
производства" A973 г.), сменилось несколько поколений элементной базы
промышленной электроники и автоматизированных систем, построенных
на их основе.
Разработаны и начали эксплуатироваться в швейном производстве
автоматизированные швейные машины с микропроцессорными системами
управления, раскройные и швейные агрегаты с числовым программным
управлением (ЧПУ), сборочные манипуляторы и промышленные роботы
со встроенными программируемыми микроконтроллерами и микроЭВМ
на базе современных микропроцессорных средств.
За это же время по рекомендациям и разработкам ЦНИИшвейпрома,
выполненным совместно с ВНИИЛтекмашем, НИИлегмашем и заводами
швейного оборудования Минлегпищемаша СССР утвердилась и
реализована новая техническая политика в швейном производстве: осуществлен
переход от внедрения отдельных высокопроизводительных швейных
машин, машин-полуавтоматов и прессов влажно-тепловой обработки к
внедрению комплектов оборудования и построенных на их основе
комплексно-механизированных линий II поколения по изготовлению
основных видов швейных изделий.
Ведутся работы по промышленному освоению швейных машин с
электронным управлением, обеспечивающих возможность обслуживания
нескольких рабочих мест одним оператором.
Намечены пути роботизации швейного производства на основе
построения комплексно-автоматизированных потоков III и IV поколений.
Эти проблемы нашли отражение в переработанном и дополненном издании
учебника.
Ускорение научно-технического прогресса является ключевой
политической и хозяйственной задачей, что особо выделено в Основных
направлениях экономического и социального развития СССР на 1986—
1990 годы и на период до 2000 года, утвержденных XXVII съездом КПСС.
При переработке первого издания учебника ставилась задача более
тесно связать предмет „Основы автоматизации производства" с
профилирующими предметами „Оборудование швейных предприятий" и
„Технология швейного производства", а также новым предметом „Основы
информатики и вычислительной техники".
В начале учебника описаны только те элементы и системы автоматики,
которые получили реальное применение в оборудовании и технологии
швейного производства, и прежде всего переводящие их в новое поколение
машин и технологий с гибким программным управлением, а также исполь-
зуемые в специализированных швейных манипуляторах и промышленных
роботах, встраиваемых в технологическое оборудование или поток.
Далее раскрыты основы построения и эксплуатации
микропроцессорных средств и систем на их основе, т. е. применению средств
вычислительной техники для автоматизации технологического оборудования и
производственных систем швейного производства.
В заключительной части рассмотрены типовые объекты и системы
автоматизации оборудования и процессов швейного производства на основе
современных средств автоматизации и современных требований ускорения
научно-технического прогресса в отрасли.
ВВЕДЕНИЕ
Швейная промышленность как одна
из основных отраслей легкой промышленности за последние годы
получила ускоренное развитие в результате твердого курса КПСС на постоянное
повышение благосостояния советского народа на основе дальнейшего
существенного ускорения научно-технического прогресса, и прежде всего
автоматизации машиностроения, включая автоматизированное швейное
оборудование и производство в целом. И хотя покупателя,
приобретающего швейные изделия в магазине, обычно не интересует, на каком
оборудовании — автоматизированном или неавтоматизированном —
изготовлено это изделие, качество швейных изделий во многом определяется
именно этим важным фактором. Так, при работе на
неавтоматизированном оборудовании и при несовершенной машинной технологии сборки
изделий на швейных машинах и прессах для влажно-тепловой обработки
качество швейных изделий и выполняемых технологических операций
зависит от настроения, квалификации и утомляемости швеи-мотористки
или рабочего. Это устраняется при использовании цикловых
полуавтоматов и оборудования с гибким программным управлением на базе
современных микропроцессорных средств и систем, причем основным
рабочим инструментом остается средство раскроя, швейная машина, пресс
для влажно-тепловой обработки, транспортные средства и др.
Основным отличием современных технических средств
проектирования и промышленного изготовления швейных изделий является
совмещение преимуществ пошива швейных изделий по индивидуальным
заказам населения с массовым характером промышленного изготовления
изделий в условиях швейного производства. Актуальной стала проблема
использования ЭВМ для расчетов, связанных с запуском новых моделей
швейных изделий в производство рациональными ассортиментными
сериями, так как общие расходы на подготовку только одной модели и запуск
ее в производство без ЭВМ и без автоматизированных швейных машин
с микропроцессорными системами управления изделия составляют для
различных изделий от 600 (сорочка) до 3000 руб. (мужской шерстяной
костюм). Часто выпуск таких моделей является убыточным для
предприятия.
Возникающее противоречие между производительностью
оборудования, качеством изделия и требованием моды не может быть разрешено
только техническими средствами, причем особую трудность в
автоматизацию швейного производства вносит фактор моды. Вместе с тем
использование микроЭВМ и встроенных микропроцессорных систем управления
в оборудовании для автоматизации процессов снятия мерок, для
проектирования и изготовления чертежей и лекал, для раскроя, сборки и влажно-
тепловой обработки швейных изделий позволяет учитывать фактор моды
и программировать показатели качества швейных изделий на всем этапе
их жизненного цикла (при промышленном изготовлении).
Основными направлениями техническою прогресса в швейном
производстве, связанными с автоматизацией процессов и оборудования на
различных этапах разработки и изготовления швейных изделий, являются:
1) разработка и внедрение подсистем САПР одежды: САПР раскладки,
САПР раскроя, САПР запуска новых моделей в поток, САПР
проектирования потоков по видам швейных изделий, САПР моделирования (по типу
фотороботов) и др. Аналогичные подсистемы САПР можно выделить
для технологического оборудования, построенного по типовым
механизмам, средствам микропроцессорной техники и системам
автоматизированного управления, разрабатываемых для автоматизированного швейного
производства. Разработка любой САПР базируется на следующих
основных видах базового обеспечения: методическом, программном,
техническом, информационном, организационном;
2) разработка комплектов автоматизированного оборудования для
сборки и влажно-тепловой обработки, объединенных внутрицеховыми
транспортными системами для потоков Ш и IV поколений;
3) гибкая автоматизация технологического оборудования на
подготовительно-раскройном, монтажном и заготовительных, сборочных и
отделочных участках на базе микропроцессорных средств и систем;
4) увеличение в технологии швейных изделий доли химизации
технологических процессов швейного производства;
5) разработка энергосберегающих технологий и оборудования,
особенно для внутрипроцессных и отделочных операций влажно-тепловой
обработки и формования;
6) разработка малооперационных и безотходных технологий и
оборудования для их реализации;
7) расширение использования различных физических эффектов и
явлений при изготовлении швейных изделий, машин и средств
автоматизации;
8) комплексная гибкая автоматизация складов неразбракованной
и разбракованной ткани, прикладных материалов, фурнитуры и готовой
продукции на основе использования серийных промышленных
вертикальных и горизонтальных транспортных модулей перемещения
грузов;
9) разработка роботизированных сборочных процессов на швейных
машинах и прессах для фронтального дублирования и формования путем
оснащения их высоконадежными манипуляторами для поштучного захвата
и отделения деталей кроя (из пачки) и последующей подачи их в рабочую
зону обработки.
Разработка прогрессивных и автоматизированных способов и средств
конструирования и изготовления швейных изделий, проектирования и
производства технологического оборудования и средств автоматизации
ведется на основе следующих основных принципов:
1. Разработка теоретических основ проектирования новых технологий,
оборудования и средств автоматизации, выполненных на базе
комплексного подхода и системного анализа. Например, при комплексном анализе
автоматизированных средств и систем, проектируемых для швейной
машины, рациональную конструкцию следует закладывать уже на этапе
проектирования одежды в виде специальных инженерных требований
к швейным изделиям. Системный анализ позволяет сократить объем
информации при разработке программного обеспечения технических средств
автоматизации, а исполнительные механизмы таких средств — выбрать
типовые путем анализа общих приемов и технологических переходов на
этапах изготовления чертежей, раскроя, стачивания по заданному контуру.
Общим критерием здесь могут быть траектория чертежного инструмента
графопостроителя, траектория резака раскройного агрегата с ЧПУ и
траектория локального участка, перемещаемого относительно петлеобразующ'их
рабочих органов швейной машины, которые могут быть описаны общими
правилами программирования.
2. Базовый принцип, реализуемый в конструировании в виде
проектирования новых моделей одежды ассортиментными сериями, а не каждой
модели изолированно; в технологии — сборка швейных изделий из
унифицированных узлов и деталей; в швейном машиностроении и
приборостроении путем
разработки базовой конструкции сборочной единицы
(функционального элемента, блока, модуля, механизма (или изделия) машины, пресса,
агрегата, транспортных средств и др.) и на ее основе создание нескольких
модификаций (типов, классов) технологических машин и средств
автоматизации, образующих базовый ряд на единой компоновочной, корпусной
и элементной базе. Модификации технических средств будут отличаться
функциональным назначением, уровнем автоматизации, наличием
сервисных устройств, облегчающих работу оператора, типом исполнительных
рабочих инструментов, приводом и др.;
разработки нескольких модификаций машин и технических средств
автоматизации на одной конструктивно-элементной базе, но при
дифференцированных станинах, корпусах, печатных платах, объемах оперативной
и постоянной памяти, типах интерфейса, в которых сохраняются только
пространственные координаты основных отверстий валов, штекерные
разъемы, устройства ввода-вывода информации. При этом конструкции
корпуса, станины, стойки могут существенно изменяться, обеспечивая
новые модификации формы машин, модулей и аппаратных средств
автоматизации;
разработки комплектов оборудования и средств автоматизации для
определенного вида швейных изделий.
3. Использование основных стадий и этапов реального
проектирования одежды, машин и средств автоматизации, обусловленных ЕСКД,
основными из которых являются разработка технического
предложения, эскизное проектирование, технический проект и рабочая
документация.
Все рассмотренные пути технического прогресса в швейной
промышленности, основанные на внедрении в производство современных
микропроцессорных и других средств автоматизации, способствуют повышению
производительности труда и улучшению качества швейных изделий. В
наиболее распространенных сборочных процессах швейная машина
остается основным рабочим инструментом, но эта машина становится все
более автоматизированной и гибко программируемой на выполнение
требуемых технологических операций. Полное выведение
человека-оператора из сборочных процессов швейного производства является
проблематичным. Здесь наметились основные направления использования
различных автоматизированных швейных машин и агрегатов с электронным
управлением по типу многостаночного обслуживания, когда один оператор
загружает и контролирует работу двух и более
высокоавтоматизированных технологических машин. Одновременно в швейном производстве
на отдельных специализированных рабочих местах возможно
использование сборочных роботов на базе швейных машин челночного и цепного
стежка. Кроме этого, в швейной технологии изыскиваются принципиально
новые способы изготовления одежды, которые позволяют получать детали,
сборочные узлы или все изделие непосредственно из волокон или расплава
полимера, например, методом раздувного формования, напыления на
манекен из пульверизатора или другим методом, минуя все или часть
основных традиционных процессов текстильного и швейного производств,
например, таких, как изготовление нитей или материалов, разбраковка
и измерение, раскрой, сборка на швейных машинах или безниточным
способом соединения текстильных и других материалов, используемых
при массовом промышленном изготовлении швейных изделий.
ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИКИ
ГЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ
УСТРОЙСТВ
§ 1. Определения, терминология и классификация основных
понятий автоматики, автоматизации и роботизации
технологических процессов, машин и систем
Автоматический процесс -
это целенаправленная последовательность действий или операций,
выполняемых с использованием источника энергии самостоятельно, без
непосредственного участия человека.
Автоматизированный процесс или машина — это
определенная последовательность взаимодействия основных исполнительных
механизмов или компонентов системы между собой при обработке и
преобразовании сырья, изделий, полуфабрикатов, энергии, информации
в соответствии с циклограммой работы технического объекта или
программой, обусловленной алгоритмом, в которой еще используется труд
человека.
Например, в швейной машине общего назначения, оснащенной
механизмами обрезки ниток, подъема прижимной лапки и автоматического реверса
стачиваемых деталей, обязательно используется автоматизированный,
а не автоматический привод, так как управляющее воздействие на
изменение скорости пошива задает оператор с помощью педали управления.
В то же время в цикловых швейных полуавтоматах привод также является
автоматизированным, хотя оператор его только включает, а выключается
он с помощью механизма автоматического останова. В автоматизированных
швейных машинах общего назначения обрезка ниток, подъем лапки и
реверс материала выполняются автоматически. В таких машинах за
оператором остаются ручные операции, связанные с загрузкой машины деталями
кроя или полуфабрикатом, и ориентация стачиваемых деталей относительно
иетлеобразующих рабочих инструментов швейной машины.
Автоматизированной швейной машиной общего или специального назначения называют
швейную машину челночного или цепного стежка, оснащенную
автоматизированным электроприводом с микропроцессорной системой управления и
механизмами автоматической обрезки ниток (тесьмы, цепочки из ниток и
др.), автоматического подъема прижимной лапки и автоматического реверса
материала, программно-управляемыми с помощью электромагнитного
исполнительного механизма или электроклапана пневмоцилиндра.
Понятия „автоматический", и „автоматизированный" процесс или
„автоматическая" и „автоматизированная" машина (техническая система)
говорят о техническом совершенстве, оцениваемом уровнем автоматиза-
ции, которая может быть полная в автоматических системах и частичная
в автоматизированных. Комплексная автоматизация швейного
производства — это реализация основных технологических процессов подготовки
и раскроя текстильных и прикладных материалов, сборочно-соединитель-
ных и отделочных операций на автоматизированном оборудовании,
объединенном в технологический поток, линию или группу с помощью
транспортных систем и средств, а также имеющих централизованное электро-,
пневмо-, вакуум- или парообеспечение, являющееся основным источником
энергии для технологических процессов и машин швейного производства.
Рассмотренные отличия базируются на различии определений
автоматики и автоматизации. Первое — это область науки и техники,
изучающая и разрабатывающая совокупность теоретических и технических
методов и средств для построения автоматических систем и средств, т. е.
систем и средств, функционирующих без участия человека.
Автоматизация — это проектирование и эксплуатация автоматизированных
технических и технологических объектов и систем.
В современном смысле автоматизация — понятие
интегрированное, т. е. охватывает не только производственные технологические
процессы и оборудование, производящие продукцию и изделия, но и этапы,
предшествующие производственному циклу изготовления изделия, а
именно этапы научных исследований, проектирования объектов и систем,
испытаний и др., что можно отразить в распространенных понятиях и
сокращениях автоматизированных систем:
АСНИ— автоматизированная система научных исследований;
САПР — система автоматизированного проектирования;
АСИ - автоматизированная система испытаний;
ГАП - гибкое автоматизированное производство;
ГПС — гибкая производственная система;
АСУП — автоматизированная система управления производством;
АСТПП - автоматизированная система технологической подготовки
производства;
АСУ ТП — автоматизированная система управления технологическими
процессами.
Все приведенные системы функционируют при участии человека,
который, как правило, взаимодействует с системой в диалоговом режиме
работы. В этом случае говорят, что система работает в интерактивном
(смешанном) режиме. Другим общим признаком автоматизированных
систем является их функционирование на базе микропроцессорных
систем и ЭВМ. В таких автоматизированных системах часто челонек и машина,
человек и технический процесс могут с помощью микропроцессорной
системы управления взаимно адаптироваться (приспосабливаться) друг
к другу путем взятия совета или рекомендации у ЭВМ посредством
визуального общения через дисплей или акустического общении череч
звуковой процессор с ЭВМ, а затем выдать указания ЭНМ, ;i ш.-гпп, и
технической системе, управляемой ею, посредством устройства niinj(;i
информации. В АСУП и АСУ ТП число датчиков, собирающих ипформпцию с рабочих
10
мест и объектов, и число исполнительных механизмов, отрабатывающих
управляющие команды, может быть сотня или тысяча.
Перспективным и более высоким уровнем комплексной
автоматизации швейного производства, основанном на применении встроенных
в швейное оборудование роботов, технологических машин со встроенными
микропроцессорными системами управления и роботизированных
швейных комплексов с ЧПУ, является роботизация швейного производства,
отличающаяся от автоматизации гибкой переналадкой на различные
технологии и изготовляемые изделия в соответствии с требованиями спроса
и направлениями моды.
К классическим понятиям автоматизации и роботизации,
определяющим качество работы, правила проектирования и расчета автоматических
и автоматизированных объектов и систем относятся понятия: „статичность
и динамичность", „линейность и нелинейность", „временная и частотная
форма динамических моделей", „система со сосредоточенными и
распределенными параметрами", „устойчивость системы автоматического
управления (САУ) и системы автоматического регулирования (САР)", „гибкость
микропроцессорной системы управления и подсистем производства".
Рассмотрим подробнее основные понятия, их взаимосвязь между
собой, классификацию математических моделей звеньев, средств и систем
автоматики, которыми также описываются динамические модели
механизмов, машин и машинных агрегатов швейного производства, и
технологические процессы, основанные на механической или химической
технологии (схема 1).
Статические модели и характеристики не содержат t — времени
в качестве переменной и не содержат производных по времени.
Динамические модели в качестве переменной содержат / —
время или со — частоту. Они обладают инерционными свойствами, т. е.
содержат производные по времени. Статические и динамические модели
и характеристики могут быть линейными и нелинейными. Статические
линейные модели задаются линейными относительно внешних параметров
алгебраическими уравнениями. По аналогии статическая характеристика
линейного звена (датчика, усилителя, исполнительного механизма и др.)
отражает зависимость величины х или скорости изменения — выходной
координаты от входной у в установившемся режиме. Для построения
статической характеристики х и у откладывают соответственно по осям
ординат и абсцисс.
Статические характеристики одного и того же звена или механизма
могут описываться уравнениями различного вида в зависимости от того,
какие функции выполняет это звено в САР. Например, электродвигатель
может выполнять функции исполнительного механизма или объекта
регулирования. В первом случае выходной координатой является угол \р
поворота вала, его ротора или якоря, во втором осуществляется
управление угловой скоростью 4j?- вращения его вала, которая является
выходной координатой, и статические характеристики принимают соответственно
вид: • '
11
Схема 1. Классификация основных моделей автоматизируемых технических и
технологических объектов швейного производства
Модели механизмов,машин,
технологических процессов^веньев
и систем автоматики
I
Сраслреаеленш/ми параметрами
Сосредоточенными параметрами
—\Инерционные\ \5езынерционнь/е| |Инерционные^
So временной
форме
В частотной
(рорме
Линейные
относительно
производной
Нелинейные
относ ительно
производной
Лердого
поряд/со
Вб/сшего
порядка
Линейные
относительно
производных
Нелинейные
относительно
производнь/х
*<=№) и
=kf(y), ¦
где ip = x; k = tga=^~ - коэффициент пропорциональности, определяемый как
тангенс угла наклона линейной характеристики к оси входной координаты у или
отношением приращений изменений выходной координаты Ах к нходной Лу.
Нелинейные статические и динамические модели (уравнении)
звеньев, систем и механизмов могут содержать нелинейные алгебраические
выражения, тригонометрические, показательные и другие типы трансцен-
дентностей относительно внешних координат с коэффициентами, не
зависящими (в нелинейных статических) и зависящими (и нелинейных
динамических) от времени.
Причинами нелинейностей в моделях звеньек, систем, механизмов и
технологических объектов швейного производства, т. с. лшОой фи жческой
природы (электронной, электрической, электромагнитной, электромашин-
12
ной, механической, пневматической и др.), являются некоторые из
основных :
1) наличие зоны нечувствительности и насыщения в
электромагнитных исполнительных механизмах;
2) учет сил сухого трения во фрикционных муфтах при их
срабатывании, в поступательных и вращательных кинематических парах;
3) скольжение системы ротор — статор и проскальзывание в
передачах машинных агрегатов;
4) зависимость электромагнитной силы от положения якоря
электромагнитных реле и соленоидов;
5) влияние температуры нагрева звеньев на электрические,
геометрические и другие параметры;
6) наличие гистерезиса, люфтов, зазоров в кинематических парах и
неплотностей соединений в пневматических и гидравлических элементах;
7) неуравновешенность звеньев и механизмов машин, зависимость
их приведенного момента инерции от угла поворота главного вала;
8) нелинейность функции положения механизмов с жесткими звеньями;
9) анизотропность текстильных материалов при их деформации,
проявляющаяся в процессе обработки на швейных машинах и прессах в отличие
от изотропных материалов, для которых в области упругих деформаций
е действует закон Гука, линейно связывающий деформацию е материала
с действующим на него напряжением а или силой F:
F
а=Ее; —-ЕМ/1,
А
где А - площадь, по которой воздействует на материал рабочий инструмент
исполнительного механизма; Al/1 - относительное изменение линейных размеров материала
или его локального участка, на который воздействует в автоматизированной системе
исполнительный механизм.
Указанные нелинейности можно разбить на две группы:
объективно существующие и не зависящие от разработчика системы
автоматизации процесса или системы, так как он работает уже с готовыми
элементами, модулями и материалами (нелинейности по п. 1 - 5 и 9),
имеющими различные физико-механические, электрические, магнитные,
теплофизические свойства материалов и компонентов, их образующих,
некоторые из элементов и модулей имеют неадекватные характеристики
при срабатывании и отпускании, нагреве и охлаждении, различный уровень
интеграции пассивных и активных элементов на одном кристалле и др.;
появляющиеся в процессе проектирования при изготовлении системы
и ее эксплуатации (см. п. 6-9) в результате выбранной структуры
системы и особенностей функционирования отдельных звеньев или механизмов,
неточностью изготовления и сборки, различием законов изменения
возмущающих воздействий, износа и старения в процессе эксплуатации,
наложением и смешиванием входных и выходных сигналов, помех, шумов
и др.
13
Зачем так подробно рассмотрены нелинейности и их причины в
реальных условиях? Учет нелинейностей в моделях всегда приводит к их
усложнению из-за увеличения размерности изучаемой системы в виде
дополнительных дифференциальных уравнений или усложнения правой их части,
характеризующей действие вынужденных сил, сил полезного и вредного
сопротивления. Однако такое усложнение бывает оправданным, так как
после решения системы уравнений позволяет выявить физику процессов,
происходящих в проектируемой или эксплуатируемой системе по ее
математической модели, что особенно актуально для быстродействующих
технических систем, управляемых встроенными микроконтроллерами
и микроЭВМ. Анализ результатов решения динамических моделей
позволяет выявить критические режимы работы по нагрузкам, быстродействию,
помехоустойчивости и другим критериям, а также .выявить причины,
приводящие к отказам, сбоям, появлению ложных сигналов и других
нарушений как при действии детерминированных воздействий, так
и случайных. При этом выбирается дальнейшая стратегия
совершенствования системы — улучшение отдельных звеньев или компонентов
системы, оптимизация структуры системы на существующих компонентах
или совершенствование одновременно компонентов системы и структуры
системы по эксплуатационным и экономическим критериям.
Для линейных инерционных динамических моделей, обычно
задаваемых во временной форме в виде обыкновенных дифференциальных
уравнений, линейных относительно производных и с линейной относительно
внешних параметров правой частью, до1гускается представление их в ча-
стогной форме на основе преобразования Лапласа в виде линейных
относительно действительных и мнимых составляющих внешних
параметров алгебраических уравнений. На частотной форме представления
основано классическое понятие в автоматике — передаточная
функция w(S) динамической системы или звена, которое определяет отношение
преобразования Лапласа выходной величины L\x(t)\ к преобразованию
Лапласа входной величины L\y(t)\.
w(S)=L\x(t))/L\y(t)).
По аналогии с механической системой передаточная функция — это
отношение скорости щ характерной точки ведомого звена к скорости
cot определенной точки ведущего звена или отношение их угловых
скоростей: например, in (ip) =а;2/а>1 и i31 (ip) =a>3/wi, где индекс 1
соответствует ведущему звену, а индексы 2 и 3 — ведомым звеньям
механизма.
Аналогом статических характеристик механизмов является
функция положения механизма Пг, связывающая входные
обобщенные координаты звеньев qit..., q^ с выходными х1; ..., хт, изменяющиеся
по определенному закону:
14
Методику получения передаточной функции в операторной форме
САР и САУ можно представить в виде следующего алгоритма:
1. По заданным требованиям из типовых динамических звеньев
собирается структурная схема системы или на основании анализа реальной
технической системы составляется структурная схема из типовых
динамических звеньев.
2. Составляется дифференциальное уравнение динамического звена,
связывающего входную и выходную координаты и их производные между
собой, которое в общем виде можно записать следующим образом:
3. Производится алгебраизация уравнения по п. 2 путем формальной
замены дифференциального оператора — оператором
дифференцирования р по следующим правилам:
- p'y(t); -f± ¦* pyftj; sx(t)dt~ xf-,
т. е. операции дифференцирования и интегрирования заменяются
соответственно операциями умножения и деления на оператор р.
4. Алгебраическое уравнение решается относительно выходной
координаты :
(аор2 +alP + a2)y(t) = (b0p2 + btp+bt)x(t).
Отношение (bop2 + b^p + Ь2)/(а0р2 + aiP + a2) является передаточной
функцией типового динамического звена в операторной форме W(p).
5. Повторяются п. 2—4 со всеми звеньями динамической системы.
6. Зная дифференциальные уравнения, а значит, и передаточные
функции входящих в систему звеньев и связи между ними, можно определить
передаточную функцию системы, если затем применить известные правила
нахождения передаточных функций структурных схем, образованных
из динамических звеньев, соединенных последовательно, параллельно и
охваченных обратной связью.
Для. изучения динамических свойств типовых звеньев и относительно
простых сочетаний их между собой в системах автоматики используют
временную (для линейных) и частотную (для нелинейных) форму
представления динамических характеристик, к которым относятся:
переходная характеристика h(t), получаемая возбуждением линейного
звена единичной (ступенчатой) функцией
1 при г > о
и наблюдением за ее изменением на выходе звена (рис. 1, а). Близким
аналогом такого закона изменения возбуждающей силы в механике машин
15
tvan t 0
со,
5
CO;
4
~2
-Л
-У
CO,
a);
U)-—oo
Рис. 1. Динамические характеристики типового
звена автоматических систем
швейного производства является удар, т. е. режим мгновенного (Ы -*¦ 0)
изменения силы или ускорения исполнительного механизма с
электромагнитным приводом, работающим в форсированном режиме, например,
в швейных машинах обрезки ниток, отключения иглы, автоматического
останова цикловых полуавтоматов. По этому закону изменяются нагрузки,
возникающие в кинематических парах с зазором в работающей на
переходных режимах (пуск, разгон, торможение, изменение скорости) машине.
Эти нагрузки могут приводить к появлению высокочастотных колебаний,
а следовательно, быть причиной повышенного шума;
три частотные характеристики нелинейных динамических звеньев,
получаемые при возбуждении таких звеньев или систем гармоническим
сигналом, например, с помощью генератора стандартных сигналов (ТСС)
и регистрацией на выходе измененного по амплитуде и фазе сигнала с
помощью осциллографа или специального анализатора полигармонических
сигналов при различных частотах со на входе динамического звена. Это
амплитудно-частотная (АЧХ, рис. 1, б), фазочастотная (ФЧХ, рис. 1, в)
и амплитудно-фазовая (АФХ, рис. 1, г) характеристики, наименование
которых получено из объединения функции и аргумента соответствующей
зависимости.
Рассмотрим подробнее особенности получения частотных
характеристик, Запишем передаточную функцию динамического звена в частотной
форме, когда звено возбуждается гармоническим сигналом частотой со
и амплитудой Ут -у(()=ут coscof5 при этом выходной сигнал имеет
16
вид x(t) =xm cos (u/ + ip0), т- е- будет иметь амплитуду хт Фут и будет
сдвинут по фазе на угол <р0 относительно входного сигнала.
Применим следующее важное обратимое свойство показательных
и тригонометрических функций, которое определяется известной
формулой Эйлера, устанавливающей связь мнимой экспоненты или, точнее,
экспоненты в мнимой степени (геометрическим понятием или
тригонометрической формой), и комплексным числом (алгебраическим понятием
или формой):
eif = cos if +/ sin ч> или е -/V = cos <p -j sin <p, A)
здесь cos Ф=Р(}р) — действительная часть комплексного числа;
± / sin <?> = ±/2(<Р) — мнимая часть комплексного числа.
Взяв только действительную часть одного комплексного числа, можно
для выходного и входного гармонических сигналов звена записать
выражения:
Ут c°s v = Уте^ = Ут СХР (/V) •
Отношение этих выражений дает передаточную функцию звена:
хт - "¦ 1Л
где А = коэффициент передачи звена на частоте to = — ; / = >/-1 - мнимая
Ут t
единица, образующая мнимые числа jQ и комплексные числа (P + }Q)-
Если теперь, не изменяя амплитуды ут входного сигнала,
изменять только его частоту о>, то изменится и передаточная функция
звена:
Ранее была приведена передаточная функция И^^-как и W(jco) в
частотной форме, но полученная в результате преобразования Лапласа.
Удобно геометрически изобразить изменение передаточной функции
звена от частоты в полярной системе координат на плоскости
комплексного переменного в виде годографа, т. е. траектории конца радиуса-вектора
длиной, равной модулю А (со,-) передаточной функции W(JoS), и фазой
^(со;) (рис. 1, г). При этом на оси абсцисс отложена вещественная часть
jP(co), а по оси ординат мнимая JQ(со) часть комплексного числа которым
является мгновенное значение передаточной функции W(ju). Модуль
и фазу передаточной функции, выраженной комилекснымчыслом, можно
определить через проекции радиуса-вектора на действительную и мнимх
оси координат:
—, 6М
I + Q (^)* фС^) ~~ arctg
Таким образом, запись передаточной функции динамического зве!
или системы может быть выполнена во временной форме, называемо
еще операторной формой W(p), и частотных формах: аналитически в вил
W(S), W(ju>) и геометрически в виде годографа вектора передаточной фунь
ции при изменении частоты от со = 0 до со -> °°.
Почему появилась необходимость при рассмотрении передаточно
функции в частотной форме использовать комплексные числа? Потом
что с понятием комплексного числа связано понятие мнимой экспонешь;
а выполнять алгебраические операции и операции дифференцированш
(интегрирования) над экспонентами проще, чем над тригонометрическим!
функциями - исходной формой гармонического входного сигнала дина
мического звена. Для пояснения рассмотрим такой типовой искусствен
ный прием преобразований: задан, а затем получен на выходе
гармонический сигнал; он представлен в виде мнимой экспоненты еМы),
мнимая экспонента выражением A) связана с алгебраическим представлением
комплексного числа, при этом была выполнена следующая цепочка
преобразований, связанная с определением передаточной функции W(ju))
в частотной форме:
ут cos u>t-+xm cos (bjt + iff) -» A(
cos >p(u>) -> /4u>) -*¦ ось действительной части комплексного I
->¦ Л(ш)ехр/>(ш) ' числа; } -*-
/sin <p(w) ->• }Q(w) -* ось значений мнимых чисел комплекс- |
ного числа. J
->¦ плоскость комплексного переменного -> годограф (амплитудно-фазовая
характеристика) -» анализ годографа по критерию Найквиста для определения устойчивости
звена или системы либо определения устойчивости по другим алгебраическим или
геометрическим критериям.
Устойчивость — это способность автоматической системы
поддерживать надежный режим работы технической системы с требуемой
точностью и восстанавливать его при действии возмущений и
управляющих воздействий в течение заданного интервала времени. Этим критерием
оценивается качество работы автоматической системы в количественных
показателях.
Рассмотренные основные понятия автоматики и автоматических систем
применимы для анализа современных устройств автоматики,
выполненных на микропроцессорной элементной базе. Современные
микропроцессорные устройства автоматики и системы управления, выполненные но
интегральной технологии, могут содержать на одном кристалле до одного
18
миллиона активных и пассивных элементов динамических звеньев (ре-
шсторов, конденсаторов, диодов, транзисторов). По такой технологии
изготовляются большие интегральные схемы (БИС) и сверхбольшие БИС
(СБИС), получившие такое название не из-за больших геометрических
размеров, а потому, что содержат большое число элементов, указанных
выше. Методы проектирования на уровнях системотехническом,
схемотехническом, топологическом и технологическом основаны только на
базе САПР и прикладном программном обеспечении для каждого уровня
ароматизированного проектирования самих БИС и СБИС и
программируемых систем и устройств автоматики. Однако в таких устройствах
уже не представляется возможным подать на вход стандартный сигнал,
¦л па выходе по осциллографу посмотреть на характер его изменения, нельзя
с помощью паяльника „влезть" внутрь схемы и исправить ее, как это
выполняется в электрической схеме из навесных пассивных и активных
элементов. Оценка работоспособности и отладка работы системы на
микропроцессорной элементной базе осуществляется специальными тестами,
программами-мониторами, эмуляторами и вычислительными системами,
например, в виде автоматизированных рабочих мест АРМ2-05 и др.
Таким образом, главкой особенностью построения современных
систем автоматики и автоматических устройств, основанных на
современной элементной базе, являются высокая степень интеграции
элементов и связанное с этим изменение стратегии проектирования, наладки,
жеплуатации и ремонта систем автоматики и автоматических устройств.
Математические методы анализа и синтеза таких систем и их компонентов
основаны на специальных матричных методах, позволяющих решать
системы алгебраических и линейных дифференциальных уравнений, число
которых составляет тысячи, и решение их под силу только мощным
суперЭВМ типа ЕС 1065 и другим вычислительным комплексам с несколькими
процессорами.
Для таких элементов автоматики, как датчики (входные устройства)
и исполнительные механизмы (выходные устройства), традиционная
методика анализа динамических свойств широко используется в
проектируемых современных устройствах автоматики с микропроцессорными
системами управления (МПСУ), работающими в режиме реального
времени. К таким современным техническим средствам автоматизации
производственных процессов относятся промышленные роботы,
технологические машины с микропроцессорными системами управления, включая
числовое программное управление (ЧПУ) и управляемые технологические
машинные агрегаты (УТМА).
Промышленный робот — это автоматическая машина,
состоящая из манипулятора и программируемого устройства управления,
предназначенная для выполнения в производственном процессе
двигательных и управляющих функций, заменяющих аналогичные функции человека
при перемещении предметов производства и (или) технологической
оснастки. Согласно ГОСТ 25686-83 различают промышленные роботы трех
видов: универсальные, специализированные, специальные.
19
Модуль ввода-вывода
информации
Устройство
отображрния
Рис. 2. Обобщенна
блок-схема робота
зированного технс
логического моду
ля:
БПО — базовое про
граммное обеспече
ние; ППО — при
кладное програм
мное обеспечение;
И — интерфейсы для
конструктивного,
информационного и
программного
сопряжения датчиков,
исполнительных
механизмов и других
технических средств
системы; ДМ и
ПМ — датчики и
приводы
манипулятора; ДТМ и
ИМТМ— датчики и
исполнительные
механизмы технологи-
ческой машины;
1 ДСВС — датчики
состояния внешней
среды
Манипулятор — это техническое устройство, выполненное в
виде разомкнутой кинематической цепи, которая, с одной стороны,
содержит рабочий орган, обычно в виде схвата, а с другой —
исполнительные механизмы (приводы) с дистанционным программным управлением
для выполнения двигательных функций, заменяющих аналогичные
функции руки человека при перемещении объектов.
Совокупность промышленного робота (ПР) и технологической
машины образует РТМ — роботизированный технологический модуль (рис. 2).
Совокупность технологической машины, привода, устройства управления
и объекта обработки будем называть управляемым технологическим
машинным агрегатом швейного производства (УТМА ШП). Структура и
состав УТМА ШП приведены на рис. 3, из которого видно, что дальнейшее
развитие устройств управления позволит от одного УТМА ШП перейти
к гибким автоматизированным производственным системам (ГАПС),
к которым относятся:
РТМ (роботизированный технологический модуль), или ГПМ (гибкий
производственный модуль), — это ГПС, состоящая из единицы технологи-
20
Из текстильных мате
риалов и трикотаж
ных полотен
Из кожи
Из кожеп0дод//ых и других
/чатсриилов легкой лро -
мь/шленности
Для раскроя
Для
сборочно-соединительных и
s аготовительнь/х
операций
Для операций
формования и 8Г0
Электродвигатель и
питания
Привод
Передача
Устройство управления
МКП
Манипуляторы
Модули
КА?
Гибкие автоматизированные
лроизбедственные системь/
Силовая
коммутирующая аппаратура
блок
автоматики
Транспортирующая
система
/ронслорти-
pi/нущип
модуль
Модули для
организации внешней среды
Дополнительные
устройства
Рис. 3. Функциональная схема управляемого технологического машинного агрегата^
(УТМА) и состав агрегатно-модульной системы средств гибкой автоматизации
(роботизации) гибких автоматизированных производственных систем:
МКП — микроконтроллер программируемый; КАЭ — командоаппарат
электромеханический; ПР — промышленный робот; ТМ — технологическая машина; РТМ —
роботизированный технологический модуль; РТК — роботизированный
технологический комплекс; ГАУ — гибкий автоматизированный участок; ГАЛ —гибкая
автоматизированная линия; ГАЦ — гибкий автоматизированный цех; ГПК — гибкий
производственный комплекс; ГАП — гибкое автоматизированное производство
ческого оборудования, оснащенная автоматизированным устройством
программного управления и средствами автоматизации технологического
процесса, автономно функционирующая, осуществляющая многократные
циклы функционирования и имеющая возможность встраиваться в
систему более высокого уровня. При этом средства автоматизации могут
.21
включать в себя накопители, спутники, устройства загрузки и выгрузк!
устройства для удаления отходов, устройства автоматизированного кo^
троля, включая диагностирование, устройства переналадки, объединяв
мые общим понятием „внешняя среда".
Частным случаем РТМ или ГПМ является роботизированный технолс
гический комплекс (РТК) при условии возможности его встраивани:
в систему более высокого уровня.
Гибкий автоматизированный участок ГАУ — это ГПС, состоящая и:
нескольких РТМ или ГПМ, объединенных автоматизированной системой
управления, функционирующая по технологическому маршруту, в кото
ром предусмотрена возможность изменения последовательности исполь
зования технологического оборудования.
Гибкая автоматизированная линия (ГАЛ) — это ГПС, состоящая
из нескольких РТМ или ГПМ, объединенных автоматизированной системой
управления, в которой технологическое оборудование расположено в
принятой последовательности технологических операций.
ГАУ и ГАЛ могут содержать отдельно функционирующие единицы
технологического оборудования.
Гибкий автоматизированный цех (ГАЦ) — это ГПС, представляющая
собой совокупность ГАЛ и (или) ГАУ, предназначенная для
изготовления изделий заданной ном&нклатуры.
Гибкий производственный комплекс (ГПК) - это ГПС, состоящая
из нескольких РТМ или ГПМ, объединенных автоматизированной
системой управления и автоматизированной транспортно-складской системой
(АТСС), автономно функционирующая в течение заданного интервала
времени и имеющая высокую степень автоматизации.
Гибкое автоматизированное производство (ГАП) — это ГПС,
состоящая из одного или нескольких комплексов типа ГПК, объединенных
автоматизированной системой управления производством АСУП и АТСС,
и осуществляющая автоматизированный переход на изготовление новых
изделий с помощью АСНИ, САПР и автоматизированной системы
технологической подготовки производства (АСТПП).
Система обеспечения функционирования технологического
оборудования в ГПС — это совокупность взаимосвязанных автоматизированных
систем, обеспечивающих проектирование изделий, технологическую
подготовку их производства, управление гибкой производственной системой
и автоматическое перемещение предметов труда и технологической
оснастки.
АТСС — это система взаимосвязанных автоматизированных
транспортных и складских устройств для укладки, хранения, временного
накопления, разгрузки и доставки предметов труда, технологической оснастки
и удаления отходов.
Таким образом, важной качественной характеристикой
автоматизированных и роботизированных устройств и систем является их гибкость.
Гибкость - это возможность быстрой перестройки' технической
системы или производственной единицы и их приспосабливаемость к изме-
22
ииющимся внешним и внутренним условиям. Гибкость
программно-управляемых технологических машин и агрегатов базируется на использовании
средств вычислительной техники, например встраиваемых
программируемых микроконтроллеров или управляющих микроЭВМ.
§ 2. Особенности технологических процессов и машин
швейного производства как объектов автоматизации
Швейное производство можно
представить как взаимосвязанную совокупность производственных
процессов, реализуемых на основных этапах изготовления швейных изделий:
конструирование и подготовка модели к запуску в производство,
подготовка текстильных и других материалов к раскрою, раскрой, сборка
деталей изделия на швейных машинах, внутрипроцессная и окончательная
илажно-тепловая обработка {ВТО), межоперационные и внутрифабрич-
ные транспортные операции сырья, изделий и полуфабрикатов, контроль
качества и складские работы. На каждом этапе функционируют машины
и технологические процессы, взаимодействующие между собой под
управлением и контролем автоматических устройств и человека.
Технологические процессы состоят из простых операций, а машины — из механизмов.
Операции и механизмы связаны между собой в определенной
последовательности и во времени, обусловленными технологией и циклограммой.
Таким образом, процессы и машины функционируют на верхнем уровне
системы швейного производства, а технологические операции и приемы,
кинематические звенья и механизмы, кинематические пары и рабочие
инструменты машин, о работе которых необходимо собирать
информацию с помощью датчиков для работы автоматических устройств и
автоматизированных систем, ¦- на нижнем уровне этой же системы.
Автоматизации швейного производства предшествует анализ связей
(материальных, информационных, технологических, кинематических,
силовых и др.) на верхнем и нижнем уровнях системы. При этом очередность
концентрации средств и усилий для разработки и внедрения средств и
систем автоматизации определяется следующими основными критериями:
сокращением числа вспомогательных операций путем их
автоматизации, и прежде всего возможностями широкого тиражирования типовых
средств автоматики на швейных машинах;
гибкостью переналадки оборудования и схем разделения труда для
быстрого запуска в производство новых моделей швейных изделий;
возможностями оценки качества операций и швейных изделий,
собираемых на швейных машинах и оборудовании ВТО, средствами
автоматического контроля в количественных показателях;
обоснованностью экономической эффективности автоматизации и
роботизации различных уровней швейного производства как системы.
В качестве примера анализа связей и компонентов рассмотрим один
из уровней автоматизации машин и технологических процессов, пред-
23
Рп Тп Qb
) ) i
У
L
¦t
Рис. 4. Структурно-функциональная схема:
а — неавтоматизированной швейной машины общего назначения; б — типового
процесса влажно-тепловой обработки на прессе
ставленных на рис. 4. Общими предпосылками и особенностями
автоматизации машины, реализующей преобладающую в швейном производстве
механическую технологию обработки и сборки, основанную на
взаимодействии рабочих инструментов машины с нитками и обрабатываемыми
материалами, и технологического процесса, реализующего
физико-химическую технологию, основанную на тепло- и массообмениых связях внутри
обрабатываемого материала, являются:
дискретность выполняемых операций и взаимодействий во времени
и, следовательно, необходимость использования программируемых
устройств автоматики;
наличие в механизмах входных и выходных механических параметров
(угловых и линейных перемещений, скоростей и ускорений) и наличие
и процессе ВТО режимных входных параметров другой физической
природы (температура материала и рабочих сред, их влагосодержание)
требуют использования различных элементов и систем автоматики и
автоматизации;
участие человека в управлении технологической машиной и
процессом и участие человека в операциях контроля качества, выполненных на
швейных машинах и прессах ВТО.
Структурно-функциональная схема (рис. 4, а) швейной машины не
заменяет ее кинематической схемы, но позволяет уточнить входные и
выходные параметры, действующие в рассматриваемой системе, наглядно
отражает взаимодействие механизмов и рабочих органов машины между
собой, приводом, нитками, стачиваемым объектом и
человеком-оператором D0), участвующим, как видно из схемы, в двух контурах
управления: контуре регулирования скорости пошива (или частоты вращения
главного вала машины) с помощью задатчика Cd), роль которого
выполняет ножная педаль, кинематически соединенная с фрикционной муфтой
злектропривода машины, и контуре ручного управления положением
стачиваемых деталей относительно петлеобразующих рабочих органов.
Ручной труд, реализуемый на основе мускульной силы 40, показан на
схеме двойной стрелкой с пунктиром внутри. Остальные сокращения,
приведенные на схеме, имеют следующие значения:
Яи (ф), #нп (V) > Пч (<p)I7pi (v) . Щ-i (Ф) ~ передаточные функции
механизмов и кинематических цепей соответственно: иглы, нитепритягива-
теля, челнока, кинематических цепей перемещения зубчатой рейки на
расстояние по вертикали /в и горизонтали /г;
<р — входная обобщенная координата — угол поворота главного вала;
"^и> ^нп> 'Рч ~~ линейные и угловые перемещения рабочих органов
механизмов иглы (острия), нитепритягивателя (глазкд) и челнока (носика);
Рни, Рич, Рст, Рлл — регулировки, задаваемые установкой
механических регуляторов прямого действия соответственно для натяжения нитки
иглы, нитки челнока, длины стежка (/ст) и усилия прижатия стачиваемых
деталей прижимной лапкой до величины /гпл;
^эд(р) ~" передаточная функция трехфазного асинхронного
электродвигателя и фрикционной муфты, образующих вместе с ременной пере-
25
дачей и коммутирующей аппаратурой привод неавтоматизированной
швейной машины.
На рис. 4, б представлена модель процесса ВТО на прессе, где
обрабатываемый пакет материала является объектом управления с выходными
величинами: у — относительная толщина пакета материала после ВТО,
L - степень ласообразования и Г - длительность процесса ВТО, которые
зависят от значения входного воздействия G - усилия прессования. Эта
зависимость характеризуется оператором процесса Z[wTK(Pn, Tn, (?в),
^тк (/п» Уп! бв)]> т. е. его внутренними параметрами, такими, как влаго-
содержание wTK и температура 7"тк ткани (материала), изменяющимися
во время обработки в результате воздействия рабочих сред определенных
параметров: давления пара Рп, температуры его перегрева Тп и
производительности расхода воздуха gB вакуум-турбины, интенсивно
охлаждающего и сушащего обрабатываемое изделие на заключительной стадии ВТО.
В рассмотренных типовых примерах объектами автоматизации
являются в швейной машине (рис. 4, а) : 1 - останов машины с иглой в верхнем
(нижнем) положении и командой, подаваемой при снятии ноги с педали
управления для включения механизма обрезки ниток, подъема
прижимной лапки, включения механизма реверса для выполнения закрепки,
изменения частоты вращения главного вала машины; 2 — поштучное отделение
деталей кроя из пачки и загрузка машины обрабатываемыми объектами;
3 — съем обработанных деталей и передача их на следующую машину
или операцию; 4 - средства перемещения стачиваемых деталей по
заданному контуру в горизонтальной плоскости; 5 — программируемый подъем
прижимной лапки; б — программируемая обрезка ниток; 7 —
программируемое выполнение закрепок; 8 — отработка программно-заданного
числа стежков, т. е. обучение швейной машины операциям сложения и
вычитания при выполнении строчек и швов; 9 - посадка материала на
отдельных участках на заданную величину или образование сборок; 10 —
останов машины при обрыве ниток и других нарушениях циклограммы
ее работы.
В прессах для ВТО автоматически регулируются режимные параметры
рабочих сред Pn, Tn, Qb и задаваемая циклограмма их чередования по
программной выдержке времени на различных по длительности стадиях
цикла ВТО. Неавтоматизированными объектами на прессе для ВТО
являются загрузка швейных изделий и их ориентация относительно подушек,
регулирование давления прессования в зависимости от площади
перекрытия изделием подушек, контроль качества ВТО в процессе
прессования и контроль качества после выполненных на прессе различных
технологических операций.
Для изучения конструктивных особенностей, принципа работы и
возможностей применения типовых элементов и устройств автоматики в
специфическом оборудовании и процессах швейного производства их
можно классифицировать по функциональным признакам:
1. Датчики с аналоговым и дискретным сигналами на выходе.
2. Устройства ввода и вывода информации.
26
3. Устройства преобразования, хранения, переработки и представления
информации.
4. Измерительные схемы и усилительные элементы.
5. Исполнительные механизмы, использующие входную информацию
для воздействия на управляемый объект.
ГЛ ABA 2
ДАТЧИКИ АВТОМАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
§ 1. Датчики автоматических устройств механизмов,
машин, промышленных роботов и технологических
процессов швейного производства
Датчик предназначен для
восприятия и преобразования информации о состоянии механизмов, машин,
процессов, которые являются объектами автоматизации и внешней среды
(производственные условия).
Работа всех датчиков автоматических устройств основана на законах
физики, а именно: законах механики, оптики, термодинамики и акустики,
электромагнетизма и электродинамики, физики сплошных сред,
квантовой механики. Поэтому, если о принципе работы того или иного датчика
будет сказано, что он основан на определенном физическом эффекте или
законе, то дальше можно обращаться к этим законам физики, изучаемым
в других дисциплинах. Относится это прежде всего к фотоэлектрическим
и полупроводниковым, пьезоэлектрическим и мапштострикционным,
термоэлектрическим и тензометрическим, индуктивным и индукционным
и другим датчикам, наименование которых произошло от названия
соответствующих физических эффектов и законов. Можно сказать, что
датчики — это своего рода миниатюрные рентгенанпараты, направленные в
мир физических процессов и явлений, на которых основана работа самих
машин и технологических процессов по принципу преобразования и
сохранения различных видов энергии, и для качественного управления ими
требуются надежные технические помощники человеку, занятому в
производственном процессе. Такие технические помощники усиливают
возможности и производительность умственного труда человека и освобождают
его от тяжелого физического и вредного труда и от выполнения
однообразной и монотонной работы в течение смены. Всего объективных
законов в физике как основных законов материального мира более пятисот,
и их продолжают открывать, защищая в настоящее время дипломами на
открытия. Понятно, что в каждой прикладной области знаний и
производственных процессах соответствующей отрасли народного хозяйства
используют не все известные законы физики, а значит и датчики, собирающие
информацию о функционировании для автоматических устройств. Это
относится и к швейному производству.
27
Входные и выходные величины, преобразуемые основными
датчиками, и физические явления, на которых основан принцип их расчета
и работы, приведены в табл. 1, где также указаны объекты автоматизации
или область применения датчиков в швейном производстве.
К датчикам, применяемым на технологическом оборудовании
швейного производства, при их выборе и эксплуатации предъявляются следующие
основные требования, учитывающие специфику их функционирования:
быстродействие, например время образования одного стежка при
частоте вращения главного вала швейной машины 6000 мин (или стежков
в минуту), составляет 10 мс A0 мс = 1/100 с), из которых только 5 мс
игла находится в материале или над игольной пластиной при выходе из
материала, и об этом малом промежутке времени необходимо с частотой
100 Гц выводить информацию для последующей ее обработки и
срабатывания исполнительных механизмов обрезки ниток, подъема прижимной
лапки, включения механизма реверса и др. Дня этой цели можно
использовать только бесконтактные и практически безынерционные датчики;
надежность работы при действии вибрации и знакопеременных
нагрузок (на швейных машинах), в условиях одновременного действия
повышенных температур, влажности и механических нагрузок (на прессах
для ВТО), необходимость взаимодействия с деформируемыми на больших
скоростях при действии динамических нагрузок анизотропными
текстильными материалами и нитками, их соединяющими, необходимость сбора
информации и микрозон взаимодействия .рабочих инструментов с
разрезаемыми или прокалываемыми иглой материалами;
необходимость получения на выходе датчиков дискретных сигналов
для автоматизации машин и процессов на базе встроенных
микропроцессорных систем управления или микроЭВМ.
Датчики широко используют в опытно-конструкторских и научно-
исследовательских работах, связанных с испытаниями и проверкой новых
механизмов, машин в режимах высоких скоростей работы и
автоматизированных режимах эксплуатации. Например, тензометрические датчики,
датчики силы, скоростей ускорений и других неэлектрических параметров
применяются при изучении динамики новых механизмов швейных машин
и для улучшения существующих конструкций, изучения особенностей
взаимодействия рабочих инструментов, механизмов с материалами и
нитками на работающих машинах.
Для изучения деформации отдельных участков швейных изделий в
процессе носки и эксплуатации применяют тензометрические датчики,
а теплофизические и гигиенические свойства одежды и пакетов материала
изучают с помощью термоэлектрических и специальных датчиков,
реагирующих на параметры микроклимата под одеждой.
Количественная оценка качества операций ВТО может быть выполнена
фотоэлектрическими датчиками, воспринимающими коэффициенты
отражения материала до и после ВТО, по значениям которых рассчитывается
степень ласообразования. Текстильными толщиномерами и угломерами
измеряются степень спрессовки пакета и угол заутюживания сгибов.
28 ¦ ¦¦¦¦-¦
Табл. 1. Основные датчики автоматических и автоматизированных устройств швейного производства
Область применения
Наименование датчиков
Физические величины
на входе
на выходе
Автоматическое измерение
фигуры человека (при снятии
мерок в САПР одежды)
Считывание графической
информации (при
автоматизации процесса конструирования
швейных изделий; при
изготовлении лекал и деталей
кроя на раскройных
агрегатах с ЧПУ)
Измерение площади лекал
на машине ИЛ
Измерение длины материала
Индуктивный, индукционный
или фотоэлектрический
преобразователь: угол —
электрический сигнал
Фото диодная матрица или
фоточувствительная ячейка
(микроэлектронные
фотоприемные устройства)
Фотоэлектрический для
преобразования измеряемой площади
лекала в элементарные
оптические элементы разложения
Индукционные для
генерирования импульсов
Электромашинные датчики угла
(сельсины, вращающиеся
трансформаторы или индуктосины)
Измерение ширины материала Фотоэлектронная линейка
Угол отклонения ведомой
ветви эластичной
ленты-кольца, обхватывающей фигуру
человека
Угол наклона линии
чертежа деталей кроя швейных
изделий или контура лекал
Линейное перемещение
лекала относительно
диафрагмы измерительного
стола
Угол поворота якоря-
шестерни
Угол поворота
измерительного барабана промерочно-
разбраковочного станка
Отклонение кромки
материала
Дискретный
сигнал
электрический
Логическая кодовая
комбинация фототоков или фото-
ЭДС
Частота кадровой и строчной
развертки
фотоэлектрических и индукционных
импульсов
То же
Амплитуда или фаза
электрического сигнала
Двоично-десятичный код
Окончание табл. 1
Область применения
Наименование датчиков
Физические величины
на входе
на выходе
Выравнивание кромки
материала при настилании
Останов в крайнем положении
штабелеров, настилочных
машин и кареток,
электроталей и электротельферов,
погрузочно-разгрузочных
манипуляторов и электро-
роботокаров
Раскройные ленточные машины
Швейные машины общего и
специального назначения
Фотоэлектрический датчик
Положение кромки
Контактные или бесконтактные Положение упора или
путевые и концевые выключа- флажка
тели или переключатели
Электромагнитный
контактный датчик (электромагнитный
ловитель ленты-ножа при ее
обрыве)
Фотоэлектрические датчики
положения главного вала при
нахождении иглы в материале
и над игольной пластиной
(синхронизатор)
Изменение зазора между
лентой-ножом и датчиком
Угол поворота или частота
вращения главного вала
Бесконтактный или контактный Линейное или угловое
передатчик положения прижимной
лапки, рычага реверса, ножа
или ножей для обрезки ниток
и других рабочих инструментов
швейных машин или их
исполнительных механизмов
мещсние рабочего
инструмента или передаточного
звена исполнительного
механизма
Электрический сигнал
Дискретный сигнал
(включен - выключен)
Электрическое замыкание
катушки электромагнита
ловителей
Электрический сигнал
определенных параметров
Электрический сигнал
постоянного или переменного тока
Оборудование и процессы
ВТО
Количественная оценка
качества выполняемой
операции ВТО
Контактный датчик обрыва
ниток
Датчик фактически
выполненной строчки или
шва, контактирующий с
перемещаемым
материалом
Датчик наличия детали под
прижимной лапкой
фотоэлектрический
пневматический по типу
сопло - заслонка
Фотоэлектрические датчики
положения среза стачиваемых
деталей параллельно линии
строчки
Термопары
Манометрический термометр
Манометр
Фотоэлектрический датчик,
используемый в фотометре
Контакт замкнут или
разомкнут
Угол поворота датчика
Положение среза
стачиваемых деталей в начале
и конце шва
То же
Перемещение среза
Температура
Усилие прессования, или
давление пара в паросети, или
давление воздуха в пневмо-
сети
Параметры ВТО (давление,
температура, время и влаго-
со держание)
Контакт разомкнут или
замкнут
ЭДС электромагнитной
индукции
Фотоэлектрический сигнал
Параметры давления воздуха
в пневмокамере датчика
Электрические сигналы
ТЭДС
Давление в манометрической
трубке датчика
Механическое перемещение
указателя шкалы манометра
Коэффициент отражения
лицевой поверхности
материала до и после ВТО
(ласы)
Параметрами, подлежащими регулированию при формовании
швейных изделий на виброманекенах и вибропрессах, кроме режимных,
являются амплитуда и частота вибрации швейного изделия с опорной
поверхностью и подушки пресса. В виброманекене регулирование параметров
колебаний может выполняться изменением кинематических параметров
привода, например изменением радиуса кривошипа в кривошипно-шатун-
ном механизме привода жесткой оболочки манекена.
Для измерения частоты вращения и углов закручивания податливых
звеньев механизмов целесообразно использовать стробоскопические и
тахогенераторные датчики, а для измерения ускорений — акселерометры.
Промышленные роботы могут содержать два типа датчиков,
поставляющих информацию для перепрограммируемого устройства
управления :
1) датчики состояния модулей подвижности манипулятора и схвата —
это датчики, которые используются в автоматических устройствах
технологических машин: контактные (реостатные) или бесконтактные датчики
линейных и угловых перемещений, скоростей и ускорений звеньев,
моментов сопротивления и точности позиционирования схвата;
2) датчики состояния внешней среды (для упрощения и снижения
стоимости этот контур управления и датчики могут отсутствовать), к
которым относятся фотоэлектрические, сенсорные, локационные и другие
матрицы, воспринимающие геометрический образ детали или обстановки.
Такие датчики входят в систему технического зрения промышленных
роботов.
В автоматических устройствах наиболее часто используют
электрические датчики, т. е. датчики, преобразующие, как. правило,
неэлектрическую величину на входе в другую физическую величину на выходе
с пассивными или активными параметрами. Пассивные электрические
параметры — это омическое сопротивление R датчика при питании его
постоянным током, оно же называется активным сопротивлением, или
активной составляющей комплексного сопротивления датчиков в цепях
переменного тока, и реактивное сопротивление, или реактивная
составляющая комплексного сопротивления, — это индуктивное х^ = cjL и
емкостное х^ = ~— сопротивления,
сое
Активными электрическими параметрами на выходе датчиков
являются ток /, напряжение и или ЭДС е.
Параметры и датчики называют пассивными потому, что для их
измерения (подключения) требуется дополнительный источник энергии и
соответствующая измерительная схема, а активные параметры (датчики),
называемые еще генераторными, сами являются источником тока. Активные
и пассивные параметры в различных датчиках имеют в названии
дополнительную приставку, отражающую физический процесс или явление,
на основе которого осуществляется преобразование неэлектрической
величины в электрическую, например, в фотодатчиках (фоторезисторах)
выходной параметр называется фотосопротивлением, в термопарах —
32
ТЭДС, в электромашинных и индукционных датчиках — ЭДС
электромагнитной индукции и т. д.
Кроме электрических датчиков, в которых удобно выходную
электрическую величину использовать в аналоговых и дискретных устройствах
и системах автоматики, применяются более простые неэлектрические
датчики (механические, оптические и др.)> имеющие на выходе
неэлектрическую величину различной физической природы.
Не следует смешивать понятие .датчик" с близким по смыслу
понятием „задатчик", который в электрических и механических системах
выполняет различные функции. В первом применении задатчик относится
к элементам автоматики и служит для установки начального значения
контролируемого, управляемого или регулируемого параметра в
соответствующей автоматизированной или автоматической системе, в которой
используются датчик или датчики, воспринимающие всякое изменение
входного сигнала, преобразуемого и используемого затем по назначению.
В механических системах задатчиками являются механические
регулировки, введенные в кинематические цени механизмов и позволяющие при
гех же передаточных функциях механизмов получать измененные
линейные и угловые перемещения рабочих инструментов для расширения
технологических возможностей машины.
Для датчиков важной характеристикой, устанавливающей
количественные соотношения между изменением сигнала на выходе (Ах) при
изменении сигнала на входе (Ау), является ч у в ствитель кость
(К), близкими синонимами понятий которой являются статическая
характеристика и коэффициент передачи, определяемые следующим образом:
для линейных звеньев КС1 = у/х = tga;
. для нелинейных звеньев Каиф = шпДу/Дх = dy/dx = nyl^xtg(i;
в общем случае А"отн = (Ау/у) / (Ах/х),
где /Гст, /Гдиф, i^oTH — соответственно статический, дифференциальный и
относительный коэффициенты чувствительности; а — угол наклона статической характеристики;
0 — угол наклона касательной нелинейной характеристики в точке, соответствующей
текущему (мгновенному) значению входного сигнала *,-,- цу, Мх ~ масштабы по осям
ординат и абсцисс для входной и выходной величин датчика.
§ 2. Датчики сил, действующих в механических и
технологических системах и объектах
Для проектирования и надежной
эксплуатации при различных переходных режимах работы (пуск,
переключение скорости или направления перемещения, торможение, останов и
другие реальные условия работы) систем автоматизации, выбора датчиков
и основных элементов автоматики с определенными динамическими
характеристиками необходимо заранее знать динамические свойства
механизмов, машин и других объектов автоматизации.
Рассмотрим источники сил, возникающих в технических системах
с механической природой переходных процессов, имеющих много общего
2-786 33
с причинами переходных процессов в системах другой физической природы
(электромашинной, электромагнитной, пневматической, гидравлической),
так как все они могут быть описаны аналогичными динамическими
моделями в виде дифференциальных уравнений динамики. В реальных
технических системах часто необходимо рассматривать действие сил различной
физической природы. Это относится как к машинным агрегатам и
роботизированным комплексам, так и к более простым системам, таким,
как электродвигатели или электромагнитные приводы.
В механических системах основными действующими силами
являются силы инерции, упругости, сопротивления, тяжести и демпфирующие
силы. В механизмах швейных машин инерционные силы значительно
преобладают над другими действующими силами. Рассмотрим некоторые из
них для выбора соответствующих датчиков и способов измерения.
1. С и л ы и н е р ц и и Ри (или момент Мн от сил инерции),
возникающие при неравномерном поступательном движении тела (объекта) массой
т или при неравномерном вращательном (колебательном) движении
объекта с моментом инерции /, определяются по формулам:
Ри = - та =- т -^-;
где Л и if — линейное и угловое перемещения;» и —— , е и 2Г — соответственно
линейное и угловое ускорение объекта массой т и моментом инерции / при
неравномерном движении. Знак „минус" обозначает (на основании третьего закона
Ньютона) , что сила инерции направлена в противоположную сторону действующей
(внешней или возбуждающей) силе F, сообщающей телу ускорение, а силы FK и F
одинаковые, т. е. F = Fu, или F - FH — 0.
Таким образом, для определения сил инерции, а значит, и действующих
сил без учета сил трения, сил упругости и других сил, можно использовать
датчики ускорений или датчики скорости, измеряющие
приращение скорости в течение определенного промежутка времени.
Здесь возможно применение электромашинных датчиков угла <р
поворота или датчиков скорости (сельсинов, вращающихся трансформаторов,
индуктосинов, тахогенераторов) с последующим электрическим
дифференцированием угла в угловую скорость ^ и угловое ускорение --f- .
Однако применение таких датчиков вносит погрешность в измерения
ускорения, а значит, и сил инерции звеньев механизмов, так как момент
инерции подвижных звеньев датчика накладывается на инерционные
характеристики отдельных звеньев механизма. Этот недостаток отсутствует
при использовании в качестве датчиков скоростей и ускорений
фотоэлектрических датчиков и цифроаналоговых преобразователей (ЦАП),
обеспечивающих высокую точность измерений. Однако такая электронная
аппаратура не всегда доступна для широкого применения и ее можно
заменить менее точным и более трудоемким ручным дифференцирова-
34
нием угловых положений, другим оптическим методом на основе
стробоскопического освещения и фотографического способа
регистрации.
2.Силы упругости (или момент Мупр от сил упругости),
возникающие в упругих звеньях, элементах конструкции или дополнительно
вводимых в механизм пружинах при действии приложенных сил. Упругие
силы пропорциональны перемещению AS = E2 -Si) или углу
закручивания Atp = (<^2 — <fii) упругого звена при постоянном коэффициенте
жесткости тс12 этого звена: РуПр = -к12E2 - $г) или Мупр = -к,л (ift - (ft),
где Si и S2, <ft и tp2 ~ входные и выходные линейные и угловые
обобщенные координаты упругого звена.
Для измерения сил упругости и моментов от сил упругости
применяются датчики линейных и угловых перемещений, работающие с
соответствующей преобразовательной и регистрирующей аппаратурой.
З.Силы сопротивления бывают двух типов: силы полезного
сопротивления Рт, возникающие при взаимодействии рабочих
инструментов машины с обрабатываемым сырьем, изделием или полуфабрикатом
и называемые еще технологическими силами, и силы вредного
сопротивления FTp, возникающие в основном в виде сил сухого трения в
кинематических парах и подвижных соединениях, а также в виде сил вязкого
трения, которые проявляются в механизмах и машинах в виде
демпфирующих сил Fa. Эти силы обычно определяются по формулам
•?• „ , . dS. -г dS
FTp = FTp(stgn —) и FR = - с —-,
* * dt dt
где с - коэффициент, зависящий от рассеяния энергии при движении тела с трением
и определяемый на основании эксперимента; sign - значения нелинейности функции
S(t), т. е. функция-знак.
Сила трения F связана с силой нормального давления Р выражением
где д - коэффициент трения (покоя или движения, качения или скольжения),
выбираемый из таблиц или определяемый экспериментально.
При известном значении с или законе его изменения для
автоматического измерения FTV или FR можно использовать датчик скорости и одну
из измерительных схем.
Силы полезного сопротивления могут быть количественно связаны
с рассмотренными основными силами, и в каждом конкретном случае
их определяют по-разному. К силам полезного сопротивления относятся
силы, необходимые для прокола иглой материала, разрезания текстильных
материалов, ниток, тесьмы и др., торможения подвижных объектов,
прессования при ВТО и др. Для экспериментального определения этих сил
широкое применение получили тензомстрические датчики (тензодатчики).
Принцип работы тензорезисторов основан на известном физическом
эффекте и зависимости R = plSjg"', устанавливающих связь между
омическим сопротивлением R чувствительного элемента, выполненного из
35
тонкой проволоки, металлической или полупроводниковой пленки,
имеющих высокое удельное электрическое сопротивление р, с их
геометрическими параметрами — длиной / и площадью сечения 5^ чувствительного
к деформации элемента датчика. Входной величиной тензорезистора
является упругая деформация, однозначно связанная с напряженным
состоянием объекта, к которому приложены действующие силы и на котором
этот датчик жестко закреплен (наклеен), а на выходе — изменяемые
геометрические параметры / и Sr, а значит, и активное сопротивление R.
Точность и надежность работы тензодатчиков зависят от качества
закрепления датчика и его выводов на измеряемом объекте или
промежуточном преобразовательном элементе. Так как база чувствительного
элемента мала @,5 - 10 мм), требуется осторожность при работе с ним.
Материалом подложки тензорезисторов КФ4 является полиамидная
смола, а КФ5 — термостойкая бумага, пропитанная фенольным клеем
ВС-350. В зависимости от температурного диапазона работы для
закрепления тензодатчиков могут применять клеи:
циакрин ЭО — цианокрилатный быстросхватывающий холодного
отверждения с температурным диапазоном работы от минус 60° С до плюс
80° С;
ВС-350 — однокомпонентный фенольный горячего отверждения с
температурным диапазоном работы от минус 70° С до плюс 200° С;
бакелитовый лак ВЛ-931, клей БФ-2 или другие композиции.
Основными операциями технологии подготовки и наклеивания
тензодатчиков на объект или промежуточный преобразовательный элемент,
в качестве которого могут быть использованы сплошные или полые
упругие стержни или конструкции различной формы (балочки, кольца, П-
образные скобы), являются:
механическая тщательная подготовка и очистка рабочей поверхности
для тензодатчика;
разметка (при необходимости) рабочей поверхности для правильной
ориентации тензодатчика;
обезжиривание и нагрев рабочей поверхности или всей детали до темпе^
ратуры 70 — 80° С для клея нехолодного отверждения;
на разогретую поверхность и на подложку тензодатчика равномерным
слоем наносится клей и в соответствии с инструкцией для каждой марки
клея обеспечиваются требуемые температурный и временной режимы
для плотного и надежного соединения тензодатчика с нагружаемым или
деформируемым объектом;
повторение всех перечисленных операций со вторым тензодатчиком,
наклеиваемым на преобразовательный промежуточный элемент с
противоположной стороны и образующим с первым тензодатчиком полумост
измерительной схемы;
проверка электрических параметров наклеенных тензодатчиков и
контроль прочности их механического закрепления визуальным осмотром.
Затем необходимо собрать электрическую схему, включающую источник
постоянного тока, тензоусилитель и осциллограф или другой регистри-
36
рующий прибор, выполнить градуировку тензодатчиков и для датчиков,
работающих в условиях динамических нагрузок быстроходных
механизмов и машин, определить значения частоты собственных колебаний/с, Гц.
Между частотой собственных и вынужденных /в колебаний должно
соблюдаться условие
Тензорезисторы типа КФ имеют следующие параметры:
Максимальная измеряемая деформация, мкм/м ± 3 000
Чувствительность 2,1 ± 0,2
Максимальный ток питания, мА, для баз
0,5 1 мм 10
3-20 мм 30
Рассмотрим некоторые примеры использования тензодатчиков в
оборудовании и процессах швейного производства, а также отметим
некоторые особенности градуировки тензодатчиков и методики определения
собственной частоты /с колебаний. Как видно из схем расположения
тензодатчиков (рис. 5), они могут быть наклеены непосредственно на
рабочий инструмент машины (рис. 5, а и 5, б) или на промежуточный
конструктивный элемент в виде упругой пластины, помещенной внутрь
полого игловодителя (рис. 5, в), балочки, выполняющей роль пальца
шпуледержателя в челноке (рис. 5, г), дополнительного нитенаправляю-
щего колечка, жестко соединенного с консольной балочкой (рис. 5, д),
балочки, закрепленной на ферме для электродвигателя с двумя степенями
подвижности и взаимодействующей со статором (рис. 5, е), ив виде
эластичной упругой мембраны (рис. 5, ж), закрепляемой на теле человека
лейкопластырем для измерения давления отдельных участков одежды,
а значит, и возникающих в динамике упругих деформаций в
текстильных материалах, из которых изготовлены швейные изделия. На этих же
рисунках приведены типовые закономерности изменения нагрузок F,
моментов сопротивления Мс и давления Р от угла поворота ip главного
вала или времени t.
Тарировка тензодатчиков сводится к построению статической
характеристики е (G), т. е. зависимости деформации е измерительной балочки
или другого промежуточного элемента или самой детали, на которых
закреплены тензорезисторы, включенные в различные плечи мостовой
измерительной схемы, от силы тяжести G, изменяемой при
подвешивании грузиков с определенной массой.
Для тарировки тензодатчиков, закрепленных на эластичной мембране
(см. рис. 5, ж), удобно использовать измеритель артериального давления
типа ИАД-1, содержащий компрессионную манжету, представляющую
собой помещенный в лхол резиновый мешок с входным отверстием
для подключения пневматической нагнетательной ручной груши и
выходным отверстием, соединенным с манометром, пьезоэлектрический датчик
37
А-А
ТД1-
6 7
Рис. 5. Схемы расположения тензодатчиков (ТД1 и ТД2) на технических и
технологических объектах швейного производства:
а — игольной пластине; 6 — прижимной лапке; в — шловодителе; г — пальце шпуле-
держателя; д — траектории движения игольной нитки на участке от глазка нитепри-
тягивателя ГН до регулятора натяжения РН для измерения изменений натяжения
нитки в процессе образования челночного стежка; С — дополнительной стойке для
измерения момента сопротивления Мс различных механизмов, кинематически
возбуждаемых от приводного вала ПВ, соединенного с электродвигателем ЭД, имеющим
две степени подвижности; ж — мембране упругой МУ для измерения давления Р
отдельных участков швейных изделий на поверхность тела человека 1на
осциллограмме приведен пример изменения давления джинсоных брюк в области колена при
подъеме ноги (Г), наклоне вперед (II) , приседании (///) ]•
типа ДТК-1М (датчик тонов Короткова) и электронный измерительный
блок. Порядок измерений следующий. На плечевом, локтевом или
коленном участках тела человека лейкопластырем закрепляется эластичная
мембрана с тензодатчиками, включенными в измерительную схему, затем
этот участок с тензодатчиками необходимо охватить компрессионной
манжетой и проделать манипуляции, как при измерении артериального
давления. Манометр покажет давление в миллиметрах ртутного столба,
с которым компрессионная манжета воздействует на тензодатчики, а
нуль-орган измерительного канала тензодатчиков отреагирует
изменениями электрического сигнала; его шкалу можно проградуировать в
единицах измерения давления.
Для определения, вынужденной /в частоты колебаний внешней силы
и собственной частоты/д колебаний тензодатчиков необходимо:
1. Установить определенную скорость продвижения регистрирующего
носителя информации (фоточувствительных пленки, бумаги и др.) шлей-
фового осциллографа, рассчитать цену деления а. и частоту колебаний
вынужденной силы /в по формулам
а= 7й- и /в=в/ц.
где Vu - скорость носителя информации, мм/с; /ц - частота циклов изменения
вынужденной силы, циклов в секунду; а - частота вынужденной силы в цикле.
Например, при скорости Vn — 2 м/с = 2000 мм/с и частоте вращения
главного вала швейной машины челночного стежка /ц = п = 6000 мин =
= 100 с =100 Гц = 100 стежков в секунду цена деления а. = 2000/100 =
= 20 мм/с, т. е. на каждом участке осциллографической ленты длиной
20 мм будет регистрироваться 1 цикл изменения вынужденной силы, а
если в течение этого периода измеряемая сила изменится 3 раза, то частота
ее колебаний/в = 3 • 100 = 300 Гц.
2. Подвесить на нити к балочке с тензодатчиками груз определенной
массы для деформации датчиков. Затем нитка с грузом обрезается и балоч-
ка с датчиками начинает совершать свободные затухающие колебания.
Нулевой сигнал и сигнал, соответствующий свободным колебаниям,
регистрируется на осциллограмме при определенном коэффициенте усиления
электронного усилителя, входящего в комплект измерительной схемы.
С осциллограммы считывается число свободных колебаний в течение
времени тс свободных колебаний и рассчитывается величина /с, которая
затем сравнивается с ранее определенной величиной /в — частотой
вынужденной силы за цикл ее приложения. Например, получено /с = 1500 Гц,
а /в =300 Гц, проверив необходимое условие/с > D...5)/в, убеждаемся
в пригодности датчика для измерения динамических нагрузок по критерию
собственной частоты колебаний /с, при которых не возникает резонансных
явлений.
В производственных условиях тензодатчики применяются как
датчики моментов в модулях степеней подвижности промышленных роботов
У 39
и манипуляторов с углом поворота до 360°, т. е. в случаях, когда не
требуются токосъемники для вращающихся или совершающих колебательные
движения звеньев механических систем или систем другой физической
природы.
§ 3. Датчики линейных и угловых перемещений,
скоростей и ускорений
Установим связи между линейными
и угловыми перемещениями, скоростями и ускорениями физических
величин механического или электрического происхождения.
Рис. 6 поясняет взаимосвязь этих величин и преобразователей,
содержащих соответствующие датчики и динамические звенья
(дифференцирующие и интегрирующие) систем автоматического регулирования.
Суть таких преобразований сводится к следующему. Зная линейное
хп или угловое уп перемещение в данный момент времени tn и скорость
х„_1 или фп~\ в предшествующий момент времени /„_i, всегда можно
определить линейное xn-l шп угловое $„ + \ перемещение в следующий
момент времени tn + \, используя соотношения
где h - интервал времени между двумя точками измерения.
По аналогии, зная линейную хп или угловую $„ скорость в данный
момент времени tn и ускорение хп _] или ф'п-1 в предшествующий
момент времени tn-\, можно определить линейную х„ + \ или угловую фп + 1
скорость в следующий момент времени tn+ \, применяя функциональные
соотношения:
Здесь х= Urn Q -ff = ff и ^=Цгд Q ff =$?--- первые произ-
водные по времени от линейного и углового перемещения, или линейная
и угловая скорость, х —jfr- и ^ = j^f- — вторые производные по
времени от линейного и углового перемещения, или линейная и угловая
скорость.
Указанные соотношения следуют из разложения функции у =f(x)
в ряд Тейлора с учетом первых двух членов такого ряда:
40
Уп + 1 =Уп+Ьу =>-„ +ЛдИт()
Датчик
линейного или
углового
перемещения
Датчик ли
не иной или
угловой
скорости
Датчик
линейного или
углового
ускорения
Датчик ли
непной или
угловой
скорости
Да/лчикли
нейнь/х или
угловых ле
ремещенип
Датчик //и-
нейнь/х или
угловых
ускорении
+
Дифферен-
цирунущее
звено
о
Дифференцирующее
звено
Йнтегри -
рующее
звено
в
Дифференцирующее
звено 7
Дифферен
цирующее
звено /
Интегри
рун/щее
звено 7
Ин/ттегри
руи/щее
звеноZ
Датчик
скорости
Датчик
ускорения
Датчик
скорости
Датчик
перемещения
.1
Датчик
линейных или
угловых
ускорений
Датчик ли
нейных или
угловых л?
ремещений
Рис. 6. Принципиальные схемы построения датчиков линейных и угловых
перемещений, скоростей и ускорений
где Ay =уг - yt —Дхг) - f(xt) - приращение функции на отрезке рс,, х2]; Ах =
= (хг - х1) - приращение аргумента; х% нх2 - два соседних значения аргумента;
_у, =/(*,) и у2 = /(х2) - соответствующие значения функции у =/(х).
Таким образом, новое положение звена, или угол его поворота, равно
старому плюс интервал изменения аргумента Ах или интервал времени
At = h, умноженный на скорость на предыдущем интервале или в начале
интервала. Это значит, что, используя датчик линейных или угловых
перемещений и дифференцируя его выходную величину с помощью
дифференцирующего звена, получаем датчик скорости. По изменению величины
электрического сигнала в функции соответствующего аргумента можно
судить о скорости изменения этого сигнала (рис, 6, а). По аналогии,
используя датчик скорости и дифференцирующее звено на выходе или датчик
линейных (угловых) перемещений и два дифференцирующих звена на
выходе, получаем датчики линейных или угловых ускорений (рис 6,6, д).
Включая на выходе датчика линейного или углового ускорения
интегрирующее звено, получаем датчик скорости (рис. 6, в), а используя два
интегрирующих звена и учитывая постоянные времени, определяющие начальные
условия преобразований, получаем датчики линейных или угловых
перемещений (рис. 6, е). Датчик перемещения может быть также получен из датчика
скорости при включении на его входе интегрирующего звена (рис. 6, г).
Рассмотренные структурные преобразования датчиков имеют ряд
аналогий в технических системах. Например, в механизмах машин
швейного производства, дважды дифференцируя по времени функцию
положения механизма, когда она задана зависимостью перемещения рабочего
инструмента (острия иглы, глазка нитепритягивателя, среднего зуба рейки
и др.) от угла поворота главного вала, получаем закон изменения
ускорения рабочих инструментов. Аналогом такой задачи в динамике механизмов
и машин, известной как первая задача динамики, является задача
определения по заданному закону движения или траектории рабочих
инструментов, действующих в быстроходных машинах инерционных сил,
зависящих от закона изменения ускорений.
Обратные преобразования, связанные с интегрированием уравнений
движения, являются содержанием второй задачи динамики, когда по
заданным силам или закону изменения ускорений определяется траектория
или функция положения рабочего инструмента. Суть таких
преобразований положена также в основу числовых методов интегрирования,
базирующихся на использовании для расчетов средств и методов
вычислительной техники.
В автоматизированных на базе встроенных микропроцессорных
систем управления машинах, манипуляторах и промышленных роботах
необходимо воспринимать и преобразовывать информацию о текущих
значениях линейных и угловых перемещений кинематических звеньев
относительно друг друга для осуществления контролируемых и
управляемых перемещений (или траекторий) объекта обработки или рабочих
инструментов, участвующих в программируемом цикле. Для этих целей
42
Схема 2. Классификация датчиков линейных и угловых перемещений
по физическому принципу действия
Датчики линейных и
углобь/л перемещений
->
Аналоговые
Потенциоме/лри -
чес/сие
(реостатные)
¦*j Ин0ук/ли0нь/е\
-*j ?мкостные [
l-»j Индукционные],
Дискретнь/е
(цифровые)
ZT
9лектромашиннь/е
Вращающиеся
трансформаторы
I Поворотнь/е \*—'
^ротозлектрические \
->| ?лектростатические~\
Электроакустические
С нажимными
контактами
Со скользящими щ
контактами
применяются датчики, преобразующие линейные и угловые перемещения
в электрические сигналы, которые могут быть аналоговые и дискретные
(цифровые). При использовании цифровых датчиков перемещений или
цифровых преобразователей угла упрощается процесс считывания
информации с датчиков в форме, удобной для дальнейшего ввода,
преобразования, хранения и вывода информации в управляющую микроЭВМ. При
этом повышаются точность измерений и эксплуатационная надежность
системы управления технологической машины.
Классификация датчиков линейных и угловых перемещений,
выполненная по физическому принципу Их работы, приведена на схеме 2.
Приведенные на рис. 7 цифровые преобразователи угла (ЦПУ) работают
соответственно с параллельным и последовательным интерфейсом.
ЦПУ с параллельным и последовательным кодом могут применяться
и как датчики скорости для построения цифровых тахометров систем
управления промышленными роботами. В первом случае угловая скорость
определяется методом цифрового дифференцирования выходных сигналов,
а во втором случае осуществляется подсчет числа импульсов,
генерируемых датчиком за единицу времени, или длительности периода между
импульсами путем определения количества импульсов опорной частоты за
этот период времени. Вместе с тем для организации демпфирующих
обратных связей в приводах манипуляторов могут использоваться и
традиционные датчики угловой скорости — тахогенераторы, в которых
напряжение на выходе прямо пропорционально частоте вращения ротора,
кинематически связанного с измеряемым объектом.
Цифровые фотоэлектрические преобразователи угла (см.
рис. 7, а) состоят из оптической части, содержащей осветитель 1, коди-
43
СчЭ ,,, os_l /
TTT
Рис. 7. Цифровые фотоэлектрические преобразователи угла а и линейного
перемещения S:
а — конструктивная схема прямого преобразования угол — параллельный код; & —
шкальный принцип пространственного кодирования угла а; а — матричное
кодирование угла а; г — растровый преобразователь линейного перемещения S
рующий диск 2, фокусирующее устройство 3 и фотоприемники 4. Число
и форма кодовых дорожек (разрядов) диска 2, количество
фотоприемников и организация построения преобразовательно-усилительных каналов
цифровых датчиков могут быть различными. На рис. 1, б, в показаны
соответственно шкальный и матричный способы реализации ЦПУ, а на
рис. 7, г — растровый фотоэлектрический преобразователь линейных
перемещений. В шкальных ЦПУ (см. рис. 7, б) используется поворотный
диск 1 с концентрично расположенными по окружности кодовыми
дорожками 2, состоящими из чередуемых но определенному закону
непрозрачных для оптического луча осветителя и прозрачных секторов,
считывание которых осуществляется при вращении диска неподвижными
считывающими элементами {СчЭ) фотоприемпика, расположенными
радиально. В шкальных ЦПУ операции квантования и кодирования
пространственно совмещены. В матричных ЦПУ (см. рис. 7, «), где зти
операции разнесены, для кодирования используется матрица /, входы которой
подключены параллельно к соответствующим дискретам киантонизатора
2, обегаемого подвижным СчЭ 3, а его угол а поворот определяет код
на выходе матрицы 1. Возможны различные сочетания шкальных и
матричных способов построения ЦПУ, в которых для устранения неоднозначности
44 ''
считывания цифровой информации применяются различные методы:
принудительного считывания; V-развертки; циклических кодов, например
кода Грея, и др.
Для повышения разрешающей способности цифровых датчиков
перемещений обычно используются два кодовых диска или две кодовые
линейки, называемые измерительными и индикаторными растрами. Растр -
это кадр, в основе получения которого лежит принцип строчной развертки.
Строкой информации является одна информационная кодовая дорожка,
а кадром информации — совокупность сигналов, получаемых на выходе
фотоприемников при повороте кодового колеса на один или несколько
оборотов, пропорциональных единичному перемещению исполнительного
звена механизма.
В растровом цифровом преобразователе линейных перемещений S
(см. рис. 7, г) осветитель 1, измерительный растр 4 и фотоприемники 3
закрепляются неподвижно на ведущем звене механизма или
манипулятора, а индикаторный растр 2 — на ведомом звене. Шаг а и шаг Ъ
индикаторного и измерительного растров, а также ширина просветов d могут
изменяться в различных датчиках в зависимости от требуемой точности
измерений и чувствительности преобразователя перемещений. Принцип работы
растрового ЦПУ основан на модуляции светового потока кодовыми
дисками, имеющими общую ось вращения. Модулированный перемещением
световой поток преобразуется на фотоприемнике в аналоговый
электрический сигнал, а затем с помощью электронного блока этот сигнал
преобразуется в нормированный цифровой электрический сигнал. Цифровые
фотоэлектрические преобразователи угла типа ПИКП2-1Ф имеют
следующую техническую характеристику:
Число импульсов на один оборот вала 1000; 2500; 5000
Наибольшая частота вращения вала, 6000
мин
Дополнительная нагрузка на вал
преобразователя, Н
осевая 5
радиальная 10
Масса, кг ' . 0,8
Напряжение питания, В +5
Для определения линейных отклонений среза стачиваемых на
автоматизированных швейных машинах деталей и сборочных единиц
целесообразно использовать фотоэлектрические преобразователи, различные
конструктивные схемы расположения которых приведены на рис. 8. Принцип
работы датчиков слежения за положением среза стачиваемых деталей
относительно иглы или за положением среза верхней детали
относительно среза нижней, когда эти срезы разделены между собой
светоотражающей пластиной, поясняется на соответствующих схемах следующими
цепочками функциональных преобразований информационных сигналов:
45
Рис. 8. Конструктивные схемы расположения датчиков отклонения среза стачиваемых
на автоматизированной швейной машине деталей:
а — прохождение оптического луча сквозь отверстие в игольной пластине; б —
отражение светового потока от поверхности игольной пластины; в — преломление
светового потока от дополнительного рефлектора 2 и полупрозрачного зеркала 3; г — с
разделительной пластиной 5 между верхним и нижним слоями материалов и двумя
фотоэлектрическими следящими головками; СД и ФД — светодиод и фотодиод
рис. 8, а:СД -* отверстие 2 в игольной пластине -> ФД~+ „1", если срез
стачиваемых деталей 3 находится слева от отверстия 2, или СД -*¦ 3 и
на выходе ФД сигнал отсутствует, т. е. „О" состояние фотодатчика;
рис.8,б:СД-+1 -> ФД-»„Г'шиСД-*3-*ФД--„0";
рис. 8, в: СД -*¦ полупрозрачное зеркало 5 -> конденсаторная линза
3 -* рефлектор 2 -*¦ 3 ->¦ 5 -+ ФД-* „1" или СД->-5->-3->-4-»-3->- 5 -*ФД->- „О".
Здесь СД и ФД — соответственно светодиод (полупроводниковый
осветитель с инфракрасной оптической областью света) и фотодиод
(полупроводниковый приемник оптического сигнала), изменяющий свою
проводимость в зависимости от наличия или отсутствия светового потока от СД.
После усиления соответствующий сигнал служит для срабатывания
исполнительного механизма. Наличию сигнала на выходе ФД соответствует
состояние „1", а отсутствие сигнала ставится в соответствие с нулевым
состоянием фотодатчика.
Для слежения за положением срезов верхней и нижней стачиваемых
деталей и автоматического выравнивания их положения относительно
друг друга используются разделительная светоотражающая пластина \3
(рис. 8, г) и две фотоэлектрические следящие головки СД1,ФД1 и СД2,
46
ФД2, расположенные по разные стороны от разделительной пластины.
Срез верхней детали -2 укладывается на разделительную пластину, а срез
нижней детали 2 располагается между игольной пластиной 1 и
разделительной пластиной 3. Каждая пара фотодатчиков отслеживает положение
соответствующего среза и выдает управляющую команду на верхний и (или)
нижний манипуляторы перемещения среза. Такие фотоэлектрические
датчики и система управления применяются в автоматизированных
швейных машинах ECS-150 кл., ECS-152 кл. фирмы „Джуки" (Япония).
Оригинальное решение аналогичной задачи, но более простыми средствами
выполнено в отечественном промышленном швейном полуавтомате 609 кл.
ПМЗ, где роль датчиков положения срезов верхней и нижней деталей и
одновременно роль исполнительных механизмов выполняют два
фрикционных ролика, свободно посаженные на наклонных осях и приводимые
в движение силами трения от перемещаемых зубчатой рейкой и
транспортирующей лапкой стачиваемых деталей. При этом возникает управляющее
воздействие в виде тангенциальных сил со стороны фрикционных
наклонных роликов, воздействующих на срезы деталей, разделенных пластиной
и стремящихся постоянно прижимать их в процессе перемещения к
направляющим ограничительным упорам.
Фотоэлектрические датчики, приведенные на рис. 8, кроме швейных
машин, применяются также в настилочных машинах и каретках для
выравнивания кромок настилаемых полотен текстильных материалов, в
промерочно-разбраковочных станках для автоматического измерения
ширины материала через заданные промежутки линейных перемещений
и других технологических машинах и механизмах швейного производства.
Простым оптическим датчиком угловых перемещений является
стробоскопический датчик, используемый для экспериментального изучения
углов закручивания Д^ (рис. 9) нагруженных упругих звеньев
механизмов и машин при их работе. Принцип работы такого датчика основан на
применении стробоскопического эффекта и фотографических средств
регистрации. На рис. 9 изображена принципиальная схема датчика,
включающего приводной вал 1, на конце которого закреплен указатель 5 угла
поворота v?i, и соосно расположенный вал-втулку 3 с указателем 4 угла
поворота 1/?2, при этом вал 1 и вал-втулка 3 соединены между собой
цилиндрической пружиной 2, жесткость которой заранее известна. В состав
устройства для измерения угловых перемещений также входят:
стробоскопический осветитель 6, генератор 7 и черный экран 9. Если датчик
изготовить в виде отдельной приставки и соединить вал 1 с выходным
валом реального механизма или машины, то можно экспериментально
определить моменты, зависящие от угла <р, угловой скорости ф = ^- и
углового ускорения у—щт- , т. е. моменты от упругих сил, сил вязкого
сопротивления и инерционных сил.
Датчик работает следующим образом. Генератором 7
синхронизируются вспышки осветителя 6 и частотомером 8 контролируется их частота.
При совпадении частоты вращения указателя 4 или 5 с импульсной часто-
47
й<р
Рис. 9. Принципиальная схема стробоскопического датчика угловых перемещений:
а — конструктивная схема; б — схема, поясняющая .принцип отсчета угловых
перемещений
той их освещения отражение указателей на экране визуально
воспринимается не как вращающееся, а как неподвижное, и фотографированием
можно зафиксировать угол закручивания Aifi = <р\ — </>2 при конкретном
угле поворота приводного вала. Углу Дуз на экране 9 соответствует
определенное количество меток шкалы транспортира, нанесенной на экран.
Зная Д(/>, число меток шкалы и цену деления, можно определить среднюю
скорость между двумя соседними метками как разность углов, деленную-
на интервал времени между метками, а ускорение как разность скоростей
в серединах соседних интервалов, деленную на интервал времени между
метками.
Электромашинные датчики линейных и угловых перемещений
представляют собой индукционные много полюсные микромашины
переменного тока, выполненные в виде сельсинов, вращающихся или
поворотных трансформаторов, индукционных редуктосинов и индуктосинов.
Рассмотрим некоторые из них, получившие преимущественное применение
в современных устройствах автоматики и предназначенные для получения
информации в виде аналогового электрического сигнала о линейном или
угловом перемещении или положении подвижных органов исполнительных
механизмов.
Вращающиеся (поворотные) трансформаторы (рис. 10, а, б)
содержат по две распределенные обмотки Wi и w2, w'i и w'2 на статоре
1 и роторе 2, магнитные оси которых взаимно перпендикулярны. При
повороте ротора, кинематически связанного с объектом управления ОУ,
на угол а изменяется коэффициент индукции между обмотками статора
и ротора по синусоидальному и косинусоидалыюму законам. Отсюда
широко распространено другое название таких датчиков •- синусно-ко-
синусные преобразователи, которые в зависимости от схемы их включения
могут работать в амплитудном режиме (см. рис. 10, а) или режиме фазо-
48
-.2
Рис. 10. Принципиальные схемы электромашшшых датчиков угловых и линейных
перемещений:
а — вращающегося трансформатора в амплитудном режиме работы; б — то же в
режиме фазовращателя; в — индукционного редуктосина; ? — поворотного индук-
тосина
вращателя (см. рис. 10, б) . В амплитудном режиме на одну из
статорных (или роторных) обмоток подается постоянное по амплитуде
напряжение возбуждения, а на другую — переменное напряжение, при
этом возникает пульсирующий магнитный поток, возбуждающий во
вторичных обмотках две ЭДС электромагнитной индукции Ех и Е2,
пропорциональные синусу и косинусу угла а. Выходное напряжение снимается
только с синусной обмотки, так как в этом случае статическая
характеристика датчика получается реверсивной и линейной. В режиме
фазовращателя статорпые обмотки Wi и w2 подключаются к двум питающим
напряжениям, сдвинутым по фазе на угол 90°, в результате чего возникает
вращающийся с угловой частотой со магнитный поток статора и в
роторных обмотках индуцируются ЭДС, также сдвинутые по фазе на 90° и на
угол, зависящий от угла поворота измеряемой неэлектрической величины,
функционально связанной с углом а поворота ротора, т. е.:
\ ~ f/max cos (wt + а).
Схема включения преобразователя в режиме фазовращателя сложнее,
но имеет выше помехоустойчивость, чем в амплитудном режиме.
Для повышения точности преобразования применяются вращающиеся
трансформаторы с электрической редукцией, в которых при повороте
ротора на небольшой угол амплитуда или фаза выходного напряжения
изменяются на один период, а при повороте ротора на 360° и работе в
амплитудном режиме ЭДС выходного напряжения изменяется по закону
49
где 2р — число полюсов ротора или коэффициент электрической редукции кэ,
определяемый как отношение числа полюсов статора zc к числу полюсов ротора zp.
К датчикам такого типа относятся индукционные редуктосины
(рис. 10, в) и их разновидности — поворотные и линейные индуктосины
(рис. 10, г). Индукционный редуктосин, как и вращающийся
трансформатор, состоит из статора 1 и ротора 2. На статоре выполнено
множество полюсов 2С, на которых намотаны первичная обмотка Wj и две
вторичные дифференциальные обмотки w'2 и w", а ротор изготовлен в виде
зубчатого кольца, в котором каждый зуб выполняет роль полюса. Для
цифровых систем автоматического управления коэффициент
электрической редукции может быть кратен байту (кэ = zp/zc = 8) и равен 16, 32,
64, 128 и 256. При кэ — 32 погрешность редуктосина составляет примерно
одну угловую минуту, а при ка=128 может быть получена точность в
несколько долей угловой минуты.
Индуктосины могут быть поворотные, служащие для
преобразования угловых перемещений и состоящие из статора и ротора в виде
дисков из диэлектрика, на которые нанесены печатные обмотки 3 (рис. 10,
г), и линейные для преобразования линейных перемещений, при этом
аналогом статора является измерительная головка, а аналогом ротора -
набор измерительных линеек, объединенных в единую конструкцию путем
их монтажа на объекте, например системе с ЧПУ. Головка линейного ин-
дуктосина имеет вид прямоугольной пластины, на одной стороне которой
нанесен печатный рисунок обмотки, отделенный от стального основания
изоляционным слоем. Печатный рисунок имеет форму меандра,
обозначенного поперечными проводниками и продольными перемычками.
Поперечные проводники головки объединены в секции, образующие две
обмотки, сдвинутые относительно друг друга в продольном направлении
на У4 шага обмотки линейки (синусная и косинусная обмотки). На
поверхности головки с печатными обмотками наклеен электростатический
экран.
Линейка преобразователя представляет собой стальную пластину,
на одной из поверхностей которой расположена плоская печатная обмотка,
отделенная от стального основания изоляционным слоем. Шаг обмотки
линейки равен 2 мм.
В зависимости от способа подачи питающих напряжений выходными
сигналами индуктосинов могут быть:
а) при подаче питающих напряжений на статор и головку и съеме
сигнала с ротора и линейки: сигнал, изменяющийся по фазе на 180° при
достижении положения, заданного соошошением амплитудных значений
питающих напряжений; периодически изменяющийся сигпаи. смещающийся
по фазе относительно питающих напряжений;
б) при подаче питающих напряжений на ротор и линейку и съёме
сигнала со статора и головки: два периодических сигнала, сдвинутых
относительно друг друга на 90° по фазе
50
Габарит и число пар полюсов поворотных индуктосинов типа ПИКШ
и трансформаторов поворотных многополюсных типа ТПМ1 следующие:
ПИКШ-А1; ПЙКП1-А2 и ПИКШ-АЗ, мм - соответственно 0 100 X 16,2;
0130 X 36,2 и 0178 X 16,2, а число пар полюсов у всех типов индуктосинов
равно 180;
ТПМ1-100; ТПМ1-125 и ТПМ1-250 - все имеют одинаковый габарит
0100 X 85 мм, а число пар полюсов соответственно равно 100, 125 и 250.
Для линейных индуктосинов типа ПИЛШ:
габаритные размеры, мм, не
более
головка ПИЛП1-У 75X35X10
линейка ПИЛП1-У1 250 X 30 X 10
" ПИЛП1-У2 160 X 30 X 10 '
масса, кг 0,25; 0,6; 0,4
Достоинством индуктосинных датчиков угла является высокая
точность измерения, например при кэ = 128 погрешность измерения находится
в пределах ± E—10I1, недостатками — высокие требования к точности
изготовления D-й, 5-й класс точности) и монтажа (продольная
непараллельность линеек относительно направляющих станка должна быть не более
0,04 мм по всей длине проверяемого пути), малое значение выходного
сигнала (несколько милливольт при частоте питания 10 кГц). Такие
датчики могут найти широкое применение в качестве датчиков обратной
связи в швейных машинах с ЧПУ и швейных манипуляторах для изгото-
вительных и сборочных операций, выполняемых на швейных машинах
и прессах для влажно-тепловой обработки с микропроцессорными
системами управления.
§ 4. Датчики считывания и ввода в микроЭВМ
графической информации
По физическому принципу
действия датчики считывания и ввода графической информации в микроЭВМ
могут быть акустические, электрические и оптические. Электрические
по способу связи датчика с рабочим полем планшета в свою очередь делятся
на контактные, емкостные и индуктивные. Графическая информация —
это рабочие чертежи деталей, лекал или раскладки лекал, различные схемы,
эскизы, нанесенные на бумагу.
Ак устический датчик (звуковой или ультразвуковой)
представляет собой источник звука, например электрический разрядник,
перемещаемый вручную или автоматически в двухкоординатной
системе планшета, по двум краям которого расположены приемники
звука, выполненные в виде конденсаторных микрофонов. Принцип работы
акустических устройств графического ввода (УГВ) информации основан
на измерении времени распространения звуковой волны от датчика до
приемника. Считываемые координаты X и Y пропорциональны времени
tx и ty:
51
atx; Y = V3Bty,
где tx и ty - время движения звуковой волны от датчика к соответствующему
приемнику. Такие устройства просты по конструкции, но из-за непостоянства скорости
мука Кзв и се зависимости от параметров окружающей среды и других факторов
имеют размеры штаншета не более 500 X 500 мм и выдают ошибку считывания
координат чертежа, составляющую 0,25-0,5 мм.
К о н т а к т н ы е датчики работают в комплекте с планшетом,
выполненном, например, в виде электропроводящей бумаги или другой
резистивной пленки. На таком планшете создается определенный
потенциальный рельеф по всей площади, которая перекрывается носителем
графической информации. Ввод координат чертежа осуществляется в
результате прокалывания носителя информации и возникающего при
этом электрического контакта при касании щупом резистивного слоя.
При контакте снимается определенный электрический потенциал,
пропорциональный координате считывания, так как резистивный слой
выполняет роль линейного потенциометрического датчика линейных
перемещений, а щуп — съемника напряжения с этого потенциометра.
Емкостные и индуктивные датчики УГВ не требуют
непосредственного контакта с планшетом, имеющим шинную структуру
(рис. 11, а). Планшет выполнен в виде двух систем ортогональных
координатных шин, образующих сетку, узлами которой являются определенные
координаты X и Y. В дискретных УГВ считывание координат
осуществляется последовательно: вначале измеряется, например, координата X, а затем
У. Емкостные датчики (рис. 11,6) возбуждают шипы импульсами
напряжений, а индуктивные импульсами тока. Индуктивная связь датчик —
планшет обеспечивает более высокий по сравнению с емкостной связью
уровень сигнала считывания и более высокую помехоустойчивость УГВ.
На рис. 11, в, г приведены характеристика чувствительности и <р(х)
емкостного датчика штыревого типа. Обозначим: d — шаг между z'-ми
шинами планшета; h — величина удаления датчика от планшета; ^ — фаза
сигнала на выходе датчика. Если с/> А, то возникает сильная амплитудная
модуляция информационного сигнала на выходе датчика при его
движении вдоль координатных осей. Емкостные датчики штыревого типа „Ка-
.рандаш" подходят для дискретных УГВ, где необходимо считывать каждую
отдельную шину. В дискретно-непрерывных УГВ, где производятся от-
' счеты промежуточных значений координат между шипами, используется
емкостный датчик с плоским зондирующим электродом, имеющим
большую зону „захвата" шин, чем штыревой датчик. Пример
дискретно-непрерывного УГВ приведен на рис. 11, д, где показана функциональная
схема полуавтоматического УГВ типа Планшет. Генератор
вырабатывает сигналы необходимых частот D кГц для измерений и 8 кГц —
информационных сигналов) и синхронизирует работу всего устройства. Блок
формирования моделирующего поля выдает четыре сигнала A ...4) на
шины X и четыре сигнала A...4) на шины Y, едилпутые по фазе на 90°.
Сигнал, наведенный шинами планшета на зондирующем электроде 1 (см.
рис. 11,6) емкостного датчика усиливается усилителем 3 и поступает в
52
Шины X
i
к.
_
—
\
\
л
,
--—
_
(a
r
___
¦1
Шина,}." Шина',,!.'-!"
г
генератор
блок
моделирующего
7...V
Г...Ч
Блок
преобразования
Блох
фиксации
изменений
Планшет
Датчик
блок
измерения X
/... 76 L
блок
измерения Y
1... 76
Сигнал
прерывания
координаты
датчика В двоичном коде
д
Рис. 11. Емкостный датчик типа Карандаш, его характеристики и функциональная
схема устройства графического ввода (УГВ) информации
блок преобразования, где осуществляется разделение суммарного
сигнала на составляющие по координатам X и Y и преобразование фазы
информационного сигнала во временное положение импульсов. Эти
импульсы поступают в блоки измерения координат X и У, на выходах которых
получаем координаты датчика в двойном коде, вводимые в микроЭВМ.
Блок фиксации изменений вырабатывает сигнал „Принять код'",
сообщающий о необходимости считать код с выходных регистров блоков измерений
по команде прерывания от микропроцессора.
Оптические датчики и УГВ с использованием лазерных излучателей
и сканированием рабочего поля планшета с помощью вращающихся
зеркальных узлов развертки сложны но конструкции, требуют высоких
питающих напряжений и предъявляют жесткие требования к юстировке
(фокусировке) оптической системы.
Объединение датчика считывания графической информации и двух-
координатной электромеханической следящей системы его перемещения
образует автоматические УГВ, в которых при считывании графической
информации с помощью фотоприемных устройств (вместо одноточечного
датчика с одним светочувствительным датчиком) применяют интегральные
фотоприемные устройства, называемые еще многоточечными
фотодатчиками, матричными фотоприемниками, фоточувствительными ячейками
или фотодиодными матрицами. Шаговые электродвигатели (ШД),
используемые в таких следящих системах, обеспечивают дискретные перемещения
блока фотодатчиков по осям X и Y при минимальном числе необходимых
поисковых шагов. Видеоинформация с многоточечного датчика
считывания и ввода информации представляет собой матрицу из нулей и единиц,
код которых зависит от участка контурных точек объекта (линии, чертежа,
лекала), отслеживаемых таким датчиком. Например, фотодиодные
матрицы МФ-6 и МФ-16 имеют соответственно структуру 6 X 6 и 16 X 16
фотодиодов. Такие системы датчиков считывания и ввода графической информации
используются в системах технического зрения адаптивных промышленных
роботов и автомагических УГВ для считывания контура лекал и чертежей.
В швейном производстве датчики считывания графической информации
применяют в подсистемах САПР одежды и для построения
автоматизированных рабочих мест (АРМ) конструкторов швейных изделий, швейного
оборудования и микропроцессорных систем управления.
§ 5. Сенсорные датчики, контактные и бесконтактные,
путевые и концевые выключатели s
При управлении подвижными
звеньями механизмов, машин или промышленных роботов по принципу
„включено - выключено" в качестве датчиков информации о положении
используются микровыключатели, бесконтактные путевые и концевые
выключатели и переключатели, герконы (магнитоуправляе.мые контакты),
фотореле и др. Сигналы, получаемые от таких датчиков, нужны для
подтверждения изменения положения рабочего органа или другого ведомого звена
54
(объекта), его останова, снижения скорости или частоты вращения
главного вала, исполнительного механизма, схвата манипулятора или руки
промышленного робота, их останова, а также для подтверждения
окончания отработки соответствующего линейного или углового перемещения.
Микровыключатели как самые распространенные датчики положения могут
выполнять функции сенсорного контактного датчика и быть концевыми
или путевыми выключателями в зависимости от назначения объекта или
системы, в которой они функционируют. Сенсорные датчики - это датчики,
предназначенные для контроля за состоянием объектов манипулирования
или для сбора информации о внешней среде технической системы. Наиболее
сложными являются сенсорные датчики и системы распознавания образов
внешней среды на основе визуальной, тактильной или звуковой
информации, известные как системы технического зрения промышленных роботов.
Для эффективной автоматизации технологических операций и машин
целесообразно использовать несложные технические и программные
средства, заменяющие управляющие и контролирующие функции человека-
оператора на выполнении простых вспомогательных операций благодаря
комплексному подходу и гибкости управления техническими объектами.
Можно, например, „обучить" техническую систему для автоматической
загрузки технологической машины выбирать детали, выгруженные в
беспорядке из какого-то накопителя. Эту задачу можно решить, если
накапливать детали в ориентированном положении или сразу передавать с
предыдущей технологической операции или машины на последующую.. В этом
случае возможно использование простых сенсорных контактных датчиков,
предназначенных для очувствления схватов манипуляторов. Тактильные
датчики могут фиксировать контакт с объектами внешней среды, измерять
усилия, возникающие в месте -контакта, определять физические и
химические свойства объектов внешней среды и др. Объектами
манипулирования швейного производства, входящими в понятие внешней среды,
являются: в подготовительно-раскройном производстве — рулоны нераз-
бракованной и разбракованной ткани и прикладных материалов и пачки
деталей кроя из таких материалов; на сборочных операциях, выполняемых
на швейных машинах, — детали кроя, сборочные единицы и швейные
изделия, а также фурнитура; на отделочных операциях, выполняемых на
прессах для влажно-тепловой обработки, — детали кроя и клеевой
прокладки, сборочные единицы и готовые швейные изделия. Отсутствие жесткости
тканей, сравнимой с жесткостью деталей машиностроения, шероховатость
поверхности текстильных материалов в виде ворса и анизотропность других
физико-механических свойств тканей и прикладных материалов
предъявляют особые требования к сенсорным датчикам швейного производства.
Кроме этого, к ним могут быть приложены значительные полезные
нагрузки при манипулировании с рулонами ткани и малые нагрузки при
перемещении деталей кроя.
На рис. 12, а приведена принципиальная схема датчика для
очувствления схвата манипулятора. Корпус датчика выполнен из эластичного
материала и состоит из мембраны 1, на наружной поверхности которой имеются
55
/ г
2 J
I (UU
м
в
-to
5
—to>
Рис. 12. Принципиальные схемы контактного (а) и бесконтактного (б) сенсорные
датчиков
усы 2. Деформация любого из усов передается мембране. На внутренней
стороне мембраны закреплен постоянный магнит 3, который при деформации
мембраны перемещается и вызывает срабатывание магнитоуправляемого
контакта (геркона) 4- Чувствительность датчика по усилию составляет
0,15 — 0,2 Н. Геркон представляет собой стеклянную капсулу, в которую
впаяны пластины из ферромагнитного материала. Под действием внешнего
магнитного поля постоянного магнита 3 эти пластины-контакты замыкаются.
Время срабатывания 3 мс, отпускания — 0,8 мс, число включений такого
датчика до 108, он характеризуется вибро- и удароустойчивостью.
Кроме контактных сенсорных датчиков для очувствления схватов
манипуляторов могут использоваться сенсорные датчики ближнего
действия, например индуктивные, емкостные или пьезоэлектрические,
фотоэлектрические, а также датчики для распознавания образцов по их
физическим свойствам - запаху, температуре и др.
Сенсорные датчики дальнего действия позволяют обнаруживать
объекты манипулирования и определять их координаты и пределах рабочих
зон промышленных роботов. Эти датчики называют дальномерами. Они
используют волновые сигналы — оптические, ультразвуковые,
радиотехнические, радиационные И Др- Различают активные и пассивные
чувствительные устройства на базе таких датчиков. Активные содержат передатчик,
излучающий первичный сигнал, и приемник, регистрирующий прямой,
прошедший сквозь среДУ сигнал, или приемник, регистрирующий
вторичный сигнал, отраженный от объектов внешней среды. Пассивные устройства
имеют только приемник, а излучателями информационных сигналов
являются сами объекты внешней среды. В техническом отношении пассивные
сенсорные устройства обычно проще активных, но менее универсальны.
В сенсорных устройствах ближнего и дальнего обнаружения могут
использоваться непрерывные или дискретные сигналы. В зависимости от
направления действия эти устройства бывают с фиксированным и с переменным
направлением восприятия (сканирующие) информационных сигналов.
На рис. 12, б приведена принципиальная схема фотоэлектрического
сенсорного датчика, который может быть сенсором ближнего действия
или оптическим дальномером. Световой поток от осветителя 1 модулиру-
56
ется изменением напряжения генератора 8. Пройдя через диафрагму 2,
световой ноток излучается в пространство. При появлении в поле зрения
излучателя неподвижного препятствия 3 при подвижном излучателе или
подвижного объекта 3 при неподвижном излучателе происходит отражение
светового потока от объекта 3. Часть отраженного светового потока
попадает на фотоприемник 7, затем усиливается избирательным усилителем
б, настроенным на частоту модуляции генератора, и после детектора 5
подается на пороговое устройство 4, которое вырабатывает сигнал для
исполнительного механизма при превышении принятым сигналом
заданного уровня, соответствующего определенному расстоянию. Сенсорное
устройство имеет следующие характеристики: дальность действия 0,03 —
0,07 м, время срабатывания 30 мс, максимальная погрешность 30%.
Перспективными датчиками сбора информации о состоянии внешней
среды технических систем являются устройства технического зрения,
реализованные на волоконных фотометрических элементах.
Для автоматизации контроля обрыва нити на ищейных машинах
применяются контактные и бесконтактные датчики. Конструктивные
особенности и электрическая схема включения датчика выбираются в зависимости
от места его расположения на траектории движения нитки от типа стежков,
числа петлеобразующих рабочих инструментов на одной швейной головке и
числа одновременно работающих головок на швейном агрегате.
Автоматизация контроля обрыва ниток особенно актуальна на автоматизированных
швейных машинах и многоголовочных одно- и многоигольных
вышивальных автоматах челночного и однониточного цепного стежка, на
которых в зависимости от модели автомата оператору необходимо
одновременно следить за 6—24 шьющими головками, т. е. выполнять работу,
аналогичную работе при многостаночном обслуживании машин и станков в
текстильном и трикотажном производствах, где эта задача, как и в швейном
производстве, определяет качество и производительность выполняемых
операций и уровень автоматизации технологического оборудования.
В качестве контактного датчика обрыва нитки, устанавливаемого на
трассе от регулятора натяжения до глазка нитепритягивателя, может
использоваться компенсационная пружина регулятора натяжения нитки в
одноигольных челночных швейных машинах. Компенсационная пружина
с флажком может выполнять роль чувствительного элемента
бесконтактного фотоэлектрического датчика. Для двухигольных машин, в которых
компенсационная пружина общая на две игольные нитки, а также машинах
цепного стежка необходимо для той же цели устанавливать
дополнительные иружины-нитенаправители с глазком, выполняющие роль
микровыключателей или бесконтактных выключателей.
На рис. 13 приведена схема расположения датчиков контроля обрыва
нитки на двухигольной челночной машине, которые выполнены в виде
иружины-нитенаправителя 4, установленного между регулятором 3 и
компенсационной пружиной 7 для нитки,-заправленной в иглу И1, и второй
нружины-нитенаправителя 8, установленной между регулятором 11 и
компенсационной пружиной 7 для нитки, заправленной в иглу И2. Глазок
57
Рис. 13. Схема расположения
датчиков контроля обрыва нитки на
двухиголыюй челночной швейной
машине
пружин-нитенаправителей 4 и 8
с заправленными нитками
выполняет роль контакта или
чувствительного элемента
бесконтактного датчика обрыва нитки
и замыкается с неподвижным
контактом J или 9 при обрыве
соответствующей нитки. Ните-
направители 1, 2, 6, 10 и два
глазка рычага нитепритягива-
теля 12 служат для заправки
и формирования трассы нитки
для каждой иглы. При
использовании компенсационной
пружины в качестве датчика
обрыва нитки по частоте
колебаний ее натяжения для
различных углов поворота главного
вала швейной машины в
электрической схеме датчика
предусматривается временная задержка
при замыкании контакта,
образуемого компенсационной
пружиной регулятора натяжения
' игольной нитки, с частотой
основной гармоники, равной частоте вращения главного вала. Например,
при частоте вращения главного вала, равной 6000 мин A00 Гц),время
образования одного стежка составляет 10 мс- При этом в течение времени
ti = 6,7 мс глазок нитепритягивателя движется вниз и контакт датчика
замыкается, а в течение времени t2 =3,3 мс этот контакт разомкнут,
так как глазок перемещается вверх и компенсационная пружина
натянута ниткой, выбираемой из челночного устройства. Наибольшее
натяжение нитки возникает в конце цикла образования стежка при его
затяжке. При отсутствии обрыва нитки и ее натяжении д.. 1жно соблюдаться
соотношение tt>t2. Отслеживая дискретные электрические сигналы
требуемой продолжительности и их соотношения можно судить об обрыве
любой из двух ниток.
Кроме фотоэлектрических концевых и путевых выключателей для
автоматизации швейного оборудования широко применяют
бесконтактные концевые (путевые) выключатели (переключатели) серии БВК
(рис. 14, а), работающие по принципу управляемого колебательного
И1
58
Вид А
1 2
3
fj
-
Рис. 14. Конструкция (а) и электрическая схема (б) бесконтактного концевого
или путевого выключателя (переключателя) серии БВК
электрического контура или управляемого высокочастотного генератора.
Срабатывание такого выключателя происходит при введении в щель 1
алюминиевого экрана 2, кинематически связанного с подвижным рабочим
органом или исполнительным механизмом машины. Экран может получать
поступательное боковое или вертикальное перемещение или вращательное
(колебательное) движение. Срабатывание выключателя происходит в
момент нахождения передней кромки экрана на расстоянии / = 0...3 мм
за осью симметрии корпуса 3 при любом направлении движения экрана.
Работа электрической схемы (рис. 14, б) осуществляется следующим
образом. Индуктивная катушка wK и конденсатор ск, включенные
параллельно друг другу, образуют колебательный контур, с которого
снимается напряжение возбуждения, и по цепи обратной связи через
индуктивно связанные катушки обратной связи woc и woc подается в цепь базы
транзистора 77, который поддерживает незатухающие колебания в
колебательном контуре. При введении экрана в зону индуктивной обратной
59
связи датчика происходит срыв генерации, коллекторный ток транзистора
возрастает и электромагнитное реле Р1, включенное на выходе,
срабатывает. Реле своими контактами производит переключение
исполнительных цепей управления. Концевые выключатели могут работать совместно
с двухкаскадным эмиттерным усилителем (серия БК и КВД) и
бесконтактными логическими элементами или программируемыми командо-
аппаратами, выполненными на микропроцессорной элементной базе.
Такие бесконтактные концевые выключатели используются на
полуавтоматическом настилочном комплексе (ПНК), автоматизированных
швейных машинах и машинах-полуавтоматах, а также могут применяться
на любом технологическом оборудовании и транспортных устройствах
вместо контактных путевых и концевых выключателей и
микропереключателей.
Для автоматизации процесса слежения за краем стачиваемых на
швейных машинах деталей из плотных тканей и кожеподобных материалов
возможно применение струйных датчиков, принцип работы которых
основан на взаимодействии пневмоструи с неподвижным или подвижным
объектом или взаимодействии пневмоструи между собой по законам
сложения, вычитания, логическим и др. Датчик типа „сопло — заслонка"
(рис. 15, а) содержит питающее сопло 1 диаметром dn, межсопловую
камеру 2, выходное сопло 3 и измерительное сопло 4 диаметром du. Так
как dn <^и, давление рк в камере 2 определяется зазором б между
торцом сопла 4 и заслонкой (объектом) 6 E). Выход воздуха через выходное
сопло 3 является нагрузкой датчика или входным сигналом для сильфон-
ного или мембранного усилителя (на схеме не показан). Если пренебречь
изменением коэффициентов расхода сопел и сжимаемости воздуха, то
выходной сигнал датчика типа „сопло - заслонка" можно определить
по приближенной формуле рв = ~ . , которая справедлива
1 + 166 аи"п
при условии б < dn/4.
Чувствительность датчика определяется как производная от рв по б:
dpB 32pn?pHd;?6
К = = 2-4 2 ' ГДе В = П'
На рис. 15, б показана принципиальная схема струйного датчика типа
„сопло — сопло", который состоит из питающего 1 и приемного 3 сопел
и прерывателя струи, например диска 2 с отверстием диаметром d0, кото-_
рый закреплен на главном валу швейной машины. Прерыватель может
совершать и поступательное движение, тогда такой датчик выполняет
роль концевого выключателя. К соплу 1 подводится сжатый воздух
давлением ри, а сопло 3 соединяют с пневмоусилителем или преобразователем
выходного сигнала рв в электрический импульс. В результате
периодического прерывания пневмоструи на выходе возникает сигнал „О" или
„1". Чувствительность датчика выражается отношением k = ApBl (Ado),
где Арв - изменение давления на выходе; Мо — изменение диаметра
отверстия в прерывателе.
60
Рис. 15. Принципиальные схемы струйных датчиков:
а — типа „сопло — заслонка", б — типа „сопло — сопло"
Широкое применение в швейном производстве могут получить
многоструйные датчики типа „сопло — сопло" для реализации логических задач
автоматики.
§ 6. Датчики температуры
В швейном производстве датчики
температуры в виде термометров сопротивления, термопар,
манометрических термометров, а также биметаллических и дилатометрических
преобразователей применяют для автоматизации контроля, регулирования и
управления режимными параметрами оборудования и рабочими средами
при влажно-тепловой и клеевой обработках и сборке узлов из деталей и
швейных изделий из узлов. Совмещение датчика и исполнительного
механизма релейного действия образует тепловое реле или автомат защиты,
используемые для предохранения от перегрева электродвигателей привода
технологических машин и транспортных устройств. При работе швейных
машин игла, взаимодействующая при проколе с текстильными
материалами, нагревается до температуры 250-300° С, химические волокна,
входящие в состав таких материалов и имеющие температуру плавления ниже
температуры нагрева иглы, плавятся и забивают, ушко иглы. Температура
нагрева иглы, зависящая от скорости прокладывания строчки, может
быть сигналом в цепи обратной связи системы автоматического управления
скоростью работы швейной машины в зависимости от химического
состава и смеси волокон, входящих в соединяемые материалы. Дпя изучения
закономерностей нагрева иглы при изготовлении изделий из материалов
различного волокнистого состава при различном числе слоев, скорости
прокладывания строчки и других факторов может использоваться
контактный датчик игла — термопара или бесконтактный датчик
температуры — пирометр инфракрасного (теплового) излучения. Проблема
измерения температуры расплавления полимера текстильных материалов
возникает при применении безниточного способа соединения материалов
с помощью ультразвука и тока высокой частоты (ТВГ1) ¦ В этом случае
61
трудность состоит в том, что измеряемый объект имеет миниатюрные
размеры, поэтому необходимо применять в каждом конкретном случае
специфические микродатчики температуры. Задача измерения
температурного поля возникает при изучении теплозащитных свойств, одежды.
Для этой цели датчики температуры должны быть эластичными и измерять
температуру в слоях текстильных и других материалов.
В общем случае температура как физическая величина
характеризует внутреннюю энергию тел и не поддается непосредственному
измерению. Все используемые датчики преобразуют вначале температуру в какую-
либо физическую величину, обычно электрическую, которая затем
усиливается и измеряется непосредственно вторичным прибором. Температура
является термодинамическим параметром, пропорциональным
кинетической энергии хаотического движения множества частиц, образующих
физическое тело, которое находится в том или ином агрегатном состоянии.
Нижний диапазон температур, измеряемых в швейном производстве,
определяется температурой окружающей среды 20 ± 5 С (при атмосферном
давлении 750 ± 30 мм рт. ст. и относительной влажности воздуха 65 ± 15 %),
а верхний — физико-механическими и теплофизическими свойствами
текстильных и других материалов и находится на уровне 150—200°С,
хотя в некоторых случаях этот предел может быть и выше (до 300—350°С).
Характеристика наиболее распространенных в швейном производстве
датчиков температуры приведена в табл. 2.
Табл. 2. Характеристика датчиков температуры
Датчик
Выходная величина
Диапазон измеряемых
(регулируемых) температур
и инструментальная
(основная) погрешность, ° С
Терморезисторы
(термосопротивления)
Термопары
Манометрические
термометры
Дилатометрические
терморегуляторы
Электрическое
сопротивление, Ом
ТЭДС, В
Давление, Па
Линейное перемещение
конца стержня, мм
(-50...500) ± A...2)
(-50...2000) ± @,1.-20)
(-20...500) ± A...4)
(-50...300) ± 5
Основными причинами искажения полей температуры и тепловых
потоков в месте размещения датчиков являются различные теплофизи-
ческие и терморадиационные свойства самого датчика и исследуемого
участка теплового объекта. Анализ систематических погрешностей
измерения температуры имеет свои особенности в зависимости от размещения
датчика на (в) тепловом объекте (рис. 16). Датчик / (рис. 16,а) образует
с объектом 3 общий точечный контакт, а сим полностью располагается
вне объекта, при этом отвод тепла происходит и окружающую среду с
боковой поверхности датчика (измерение температуры поверхности тепло-
62
г
Рис. 16. Конструктивные схемы расположения датчиков температуры на (в)
тепловом объекте:
/ — термочувствительный элемент; 2 — вторичный прибор; 3 — тепловой объект
вого объекта с помощью переносного измерителя 2 температуры
конструкции КТИЛП). Датчик (рис. 16, б) контактирует по плоскости и находится
на поверхности теплового объекта или в непосредственной близости от
его границы, например при измерении температуры в слоях материалов
при влажно-тепловой обработке. На рис. 16, в датчик находится внутри
самого теплового объекта, а чувствительный элемент выходит на
поверхность или находится вблизи поверхности (измерение температуры рабочей
среды внутри подушки пресса для влажно-тепловой обработки).
При выборе датчиков температуры необходимо согласовывать
чувствительность датчика и требуемую точность измерения, а также учитывать
динамические свойства объекта измерения, самого датчика и других
элементов систем автоматического измерения или регулирования
температуры.
Принцип работы термометров сопротивления
(термосопротивлений) основан на зависимости активного сопротивления
проводников от температуры. Эта зависимость для медных термосопротивлений
(рис. 17, а) в диапазоне температур -5О...18О°С линейная:
где Rt и R( - сопротивление данного материала при температуре г, и t,;
R — R *
а = —2 ?i— - температурный коэффициент сопротивления (ТКС); для чистых
металлов значение ТКС составляет 3,9 - 4,6 • 10°С"'.
Полупроводниковые термосопротивления (рис 17, б) имеют
отрицательный ТКС, т. е. с увеличением температуры их сопротивление
уменьшается, и он почти в 10 раз больше, чем у проводниковых (в среднем
40 • 10~3°С), что обеспечивает высокую чувствительность к температуре.
Зависимость сопротивления термистора от температуры нелинейная и
выражается формулой:
63
Рис. 17- Контактные датчики температуры
где RT - сопротивление термиетора, Ом, при температуре Т; А и В — постоянные;
е — основание натуральных логарифмов; Т температура, К.
В паспорте на термистор обычно приводят его сопротивление при
температуре 20°С, а при любой другой температуре его можно рассчитать
по формуле:
В(Тго - Т)
Rr—R0!l exp ,
1 20 *
где Г20 - сопротивление термиетора при температуре 273 К.
Для определения постоянной В измеряют сопротивление термиетора
при двух температурах, например, при 273 К и любой другой. Тогда
В = 2,303 ^2;—'""
1/Г273 - 1/Г
При использовании термисторов в системах автоматического
регулирования температуры обычно нелинейная градуировочпая характеристика
его линеаризуется с помощью последовательно и параллельно включенных
резисторов, не зависящих от температуры. Однако при этом снижается
чувствительность термисторов.
Принцип работы термопары основан па физическом эффекте,
связанном с появлением контактной разности потенциалов (ТЭДС) в
пограничном слое двух спаянных между собой электродов из разнородных
металлов, если место спая (рабочие концы) нагревать, а температуру
свободных (холодных) концов поддерживать постояппой. Чтобы устранить
влияние колебаний температуры свободных концон термопары, их термо-
64 ¦ • . '
статируют, т. е. удлиняют и отводят из зоны теплового объекта так
называемыми компенсационными проводами или используют специальные
схемы автоматической компенсации температуры на основе термистора.
Термопары и термосопротивления относятся к контактным датчикам
температуры, но в отличие от них являются генераторными датчиками,
а не параметрическими, так как сами являются источником тока и
работают с соответствующими компенсационными, а не мостовыми
измерительными схемами.
В швейном производстве часто используют не промышленные
термонары, а термопары, изготовленные самим разработчиком из двух
проводников (хромель-копель, хромель-алюмель, мець-константан и др.) путем
сваривания их концов между собой методом короткого замыкания
графитовым электродом в растворе поваренной соли. Затем производится
градуировка термопары. Для повышения точности измерений
увеличивается поверхность места спая путем расплющивания концов проводников
перед их свариванием или к месту спая припаиваются тонкий с хорошей
теплопроводностью металлический диск или пластина. В качестве примера
на рис. 17, в приведена игла-термопара и упрощенная схема подключения
вторичного прибора (BIT). В колбе 1 и лезвии 2 иглы просверлен канал
3, в который введена микротермопара 8. С ее помощью определять
температуру нагрева иглы на уровне короткого желобка (перемычки) 4 и
длинного желобка 5 и с учетом теплопередачи нитки, заправленной в ушко
6, рассчитать температуру нагрева острия 7 иглы. Свободные концы
термопары удлинены компенсационными проводами 9 и закреплены в
радиаторе 10, роль которого выполняет головка швейной машины.
Манометрический термометр (рис. 17, г) имеет на
выходе неэлектрическую величину — угол поворота чувствительного элемента
в виде манометрической пружины-трубки 5, кинематически соединенной
с помощью передачи 4 со стрелкой 3 вторичного прибора, перемещаемой
относительно шкалы 1 при изменении температуры в тепловом объекте.
Второй конец чувствительного элемента жестко соединен капиллярной
трубкой б с термобаллоном 7. Элементы 5, 6 и 7 образуют замкнутую
герметичную систему, заполненную жидкостью или газом. При изменении
температуры в объекте жидкость или газ расширяются и в системе
повышается давление, в результате чего отклоняется свободный конец
манометрической пружины-трубки. Таким образом, принцип работы
манометрического термометра основан на зависимости упругой деформации
манометрической пружины от давления рабочей среды термобаллона.
Если к стрелке 3 подсоединить контакт 2, а контакт 8 расположить на
шкале и эти контакты подключить к исполнительному механизму и
нагревательному элементу, в котором расположен и термобаллон, то получается
простейший манометрический регулятор температуры двухлозиционного
принципа действия. Такие регуляторы применяются в прессах для
регулирования температуры нагрева парогенератора и температуры нагрева
подушек прессования. Термобаллон может быть выполнен непосредственно
в корпусе подушки пресса.
3 - 786 65
Если вместо стрелки 3 используется пишущий рабочий инструмент,
а шкала имеет индивидуальный привод, то такой термометр будет
называться самопишущим. Изменение температуры в объекте записывается
на бумажной дисковой диаграмме при сложении вращательного движения
шкалы и отклоняющего перемещения пара.
Биметаллические и дилатометрические датчики
(преобразователи) температуры используют принцип различного линейного
удлинения двух разнородных металлических пластин, соединенных по
всей длине, или пластин 2 (рис. 17, д) с контактами 4 и латунной трубкой
3. При нагреве, в связи с тем что коэффициент линейного расширения
материала латунной трубки больше такого же коэффициента пластин
2, изготовленных из инвара, контакты 4 при определенной температуре
и жесткости пластин размыкаются. Уставка срабатывания термореле ТР-200
задается регулировочным винтом 1 изменением зазора Ь. Пределы
изменения уставок и регулирования температуры от 25 до 200°С. Точность
регулирования температуры ±5°С. Недостатками такого терморепе
являются его значительные размеры (диаметр 18 мм, длина до 90 мм) и
отсутствие шкалы температуры.
В современных многоточечных системах автоматического контроля
и регулирования температуры с использованием программируемых
микроконтроллеров или микроЭВМ для преобразования аналогового сигнала
на выходе датчиков температуры в цифровой код используются аналого-
цифровые преобразователи (АЦП). В таких системах порогом
чувствительности является шаг квантования по уровню. Структура интерфейса
для подключения датчиков температуры в виде термосопротивлений (или
термопар) показана на рис. 18. В данном случае интерфейс можно
рассматривать как два функциональных узла: преобразователь аналогового
сигнала на входе датчика в цифровой код и устройство сопряжения данного
преобразователя с общей шиной микроЭВМ. Постоянный резистор Rt и
терморезистор RT образуют делитель напряжения на входе АЦП, который
является достаточно сложным компонентом средств интерфейса. Если
датчик температуры расположен достаточно далеко от микроЭВМ и не требуется
высокой частоты замера температуры, то желательно цифровой код на
выходе АЦП преобразовать в последовательный код, посылаемый в
микроЭВМ. К параллельному коду код входного сигнала приводится уже в
микроЭВМ и посылается в общую шину по запросу микропроцессора. Это так
называемое последовательно-параллельное преобразование входной
информации для микроЭВМ, работающей с байтами, а не битами информации.
§ 7. Аналого-цифровые преобразователи датчиков
Рассмотренные выше датчики для
измерения различных физических величин имеют, как правило, на выходе
аналоговую электрическую величину, для которой существует
безграничный диапазон дискретных значений. Процесс восприятия аналоговых сигна-
66 ' ¦ . ' ¦
Общая шина микроэвм
Г"
I
I
Лриемники
адресов
Усипилпе/щХ
Опознание
адреса
/ipUt'MHUKU
Буферный
регистр
Цифровой выход
АЦП
Аналогодь/и fixod
*r
Рис. 18. Структурная схема интерфейса для подключения датчика температуры
лов, предварительная их обработка, преобразование в цифровой код и
передача цифровых данных в память микроЭВМ показаны на рис. 19.
Назначение соответствующих компонентов схемы следует из их
наименования и вида сигнала на входе и выходе каждого компонента. Поясним
только некоторые из них. Активные фильтры удаляют из сигналов,
пропорциональных измеряемым физическим величинам, высоко- и
низкочастотные составляющие сигналов, а специальные электронные схемы
затем их формируют, т. е. сжимают, разворачивают,умножают или
модулируют. Отфильтрованные сигналы переключаются аналоговыми
мультиплексорами и передаются в аналоговые накопители, т. е. средства,
подобные аналоговой памяти. Мультиплексор объединяет сигналы от множества
датчиков — источников аналоговых электрических сигналов. Аналоговый
накопитель поддерживает полученный на входе АЦП уровень сигнала
постоянным в течение заданного интервала времени. Преобразованные
данные в цифровой форме передаются в интерфейсные средства, а затем
через общую шину — в микропроцессор микроЭВМ.
Квантование -- это процесс разделения сигнала на ряд дискретных
значений по уровню так, чтобы поставить в соответствие значениям
входного сигнала в определенный интервал времени одно постоянное по
амплитуде значение квантованного уровня сигнала на выходе. В результате
67
Форма
входного
сигнала
После
усиления
После
фильтрации " форми- После
рования квантования
Цифровое
кодирование
Врет —
Преобра
зователь
Усилительныймемент
Измеряемая
Физическая
величина
Аналоговый
Аналоговый
канал В I
i
6
Фильтр
Порядковый
номер выход-
нь1Хсигналов
7
2
5
<t
5
6
7
8
Код
00001
00010
00011
00100
00101
00100
00011
00010
Дискретизация и
запоминание
Управление
АЦП
Аналоговый
канал С
Интерфейс
иправления
С
JJJEL
интерфейс
данных
Общая шина микроЗВМ
Рис. 19. Принципиальная схема аналого-цифрового преобразователя для подключения
датчиков к управляющей микроЭВМ
квантования генерируется (вырабатывается) соответствующий двоичный
код, поступающий с помощью интерфейса данных в память микроЭВМ.
Квантованные сигналы — это совокупность следующих один за другим
постоянных по амплитуде квантов (уровней) сигналов, показанных на
рис. 19 в виде ступенчатой кривой, соответствующей форме входного
усиленного и отфильтрованного аналогового сигнала датчика.
Для повышения надежности работы датчиков и системы в целом
необходимо шины, соединяющие аналоговые датчики, тщательно защищать
от помех и выбирать из минимальной длины, т. е. осуществлять
преобразование аналоговых сигналов в цифровой код с помощью АЦП как можно
ближе к месту расположения датчиков.
Г Л А В А 3
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ И УСИЛИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
§ 1. Погрешности измерений
О точности измерений судят на
основании погрешностей результатов измерений. Погрешностью измерений
называется разность между результатами измерений и действительным
значением измеряемой величины (схема 3).
68
Схема 3. Классификация погрешностей измерений
fun пагргшмкяи/
Классификация погреш -
ностси в зависимости от
u(/fo8uu ujMepenuu
Хари*/лер лроявления
погрешностей
Иттриментальная
^ Доло/гаи/нельная
Г
Методическая
Основная
С/па/пичеслоя
Динаммесх'ая
Систематическая
Инструментальная погрешность является определяющей точностной
характеристикой как отдельного элемента измерительной системы, так
и всей системы в целом и возникает в результате специфических физико-
механических свойств измеряемого объекта, например значительной
упругой деформации тканей при измерении их линейных размеров или
сложного закона изменения натяжения нитки при действии динамических
нагрузок на нее при работе швейной машины, или нестационарностью изменения
температуры тепловых объектов и их распределенными параметрами
при измерении и регулировании температуры, или неточностью
градуировки датчиков и др. Отклонение показателей качества сырья и
полуфабрикатов швейного производства приводит к появлению случайных
и систематических погрешностей измерений. Здесь измерения могут
выступать как регулируемый технологический параметр, определяющий
эксплуатационную надежность оборудования и качество выполняемой
технологической операции. Методическая погрешность измерений
определяется выбранным способом и схемой измерений, квалификацией
оператора и другими факторами. Основным требованием к измерениям является
их достоверность и воспроизводимость другими экспериментаторами.
Таким образом, окраска погрешностей измерений и природа их
возникновения могут быть различными. Методика работы с различными
измерительными приборами и системами, допустимые их погрешности измерений
указываются в паспорте на соответствующий прибор, а методы расчета
количественных характеристик качества процесса измерений случайных
величин изучаются в теории вероятностей и ее разделах — „Математические
методы обработки результатов эксперимента" или „Методы
математической статистики".
До 80% и более в стоимости одежды составляет стоимость материалов,
измерение длины и ширины которых является технологической операцией
подготовительного производства. Измерения, проводимые в
производственных условиях на технологическом оборудовании с помощью различ-
69
ных измерительных средств и приборов, называют техническими.
Случайными величинами при технических измерениях могут быть отклонения
ширины ткани, измеряемой дискретно через определенные интервалы
длины, возникающий обрыв нитки или поломка иглы швейной
машины, останов иглы при снятии ноги с педали управления машиной,
распределение вероятности погрешностей измерений которых подчиняется
соответственно нормальному, экспоненциальному и бимодальному
законам.
Суммарная погрешность измерений обычно складывается из
погрешностей отдельных элементов механической и электрической измерительной
системы, прибора, машины. Например, суммарная погрешность Д^;
измерения длины ткани на трехметровом промерочном столе определяется
выражением
где д, - Д5 - погрешности измерений, вызванные соответственно сопротивлением
рулона ткани вращению при его перемотке, сопротивлением силам трения ткани по
поверхности стола, моментом сопротивления приводного вала, ошибками,
связанными с границами меловой отметки, ошибками совмещения и субъективного
восприятия меловых отметок длины на ткани с отметкой 3 м на промерочном столе.
В системах автоматического регулирования датчик, воспринимающий
измеряемую неэлектрическую величину и с помощью измерительной схемы
преобразующий эту величину в вид, удобный для усиления и
дальнейшего использования для воздействия на исполнительный механизм,
является элементом измерительной схемы, которая выполняет функцию
преобразовательного элемента. Так как измеряемые неэлектрические величины
имеют различную физическую природу и к результатам измерения
предъявляются различные функциональные требования (контроль, диагностика,
управление, регулирование) и требования точности измерений и
помехоустойчивости, средства измерительной техники можно разделить на
аналоговые и цифровые. Для цифровых измерительных приборов, все больше
вытесняющих аналоговые, возможно применение схемных решений в
виде жесткой логики или микропроцессорной элементной базы, которую
целесообразно использовать в следующих случаях:
если число интегральных схем (корпусов) малой и средней степени
интеграции дискретных элементов на одном кристалле больше 30 шт.;
если измерительный прибор должен быть многофункциональным и
программируемым;
если предусматривается дальнейшее развитие измерительной системы,
наращивание и расширение ее функций;
если измерительная система должна взаимодействовать с большим
числом датчиков и исполнительных механизмов, для чего требуется память
и соответствующие алгоритмы сбора, хранения и переработки информации,
собираемой от датчиков, г. е. измерительная система функционирует в
составе программируемого микроконтроллера или системы
автоматизации на базе микроЭВМ.
70
§ 2. Измерительные схемы, системы и приборы
Измерительная схема образуется
датчиком и совокупностью резисторов или делителей напряжения,
включенных определенным образом между собой, датчиком и вторичным
прибором. Примером измерительных схем являются: простые и
дифференциальные, работающие в комплекте с пассивными (параметрическими)
и активными (генераторными) датчиками; мостовые — только с
пассивными и компенсационные — только с активными датчиками.
Если измерительная схема взаимодействует с несколькими датчиками
или объектами и содержит дополнительные компоненты, такие, как муль-
типлексорные (многопозиционные) переключатели, аналого-цифровые и
цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП) и др., улучшающие
качество процесса измерения, а также развитые средства представления
информации оператору, включая устройства диалогового взаимодействия
в виде дисплейных процессоров, то образуется
измерительно-информационная система (ИИС). Примером современных ИИС являются, например,
технические средства машинной графики или автоматизированное рабочее
место (АРМ) модельера-конструктора, системы автоматизации научных
экспериментов и др. Характерной особенностью ИИС является наличие
интерфейса и агрегатно-модульный принцип построения, где каждый
модуль (блок) имеет конструктивную законченность, аппаратную и
программную совместимость между собой и интерфейсом.
Интерфейсом называется совокупность методов и средств
сопряжения одного компонента системы с другим. Различают интерфейсы
четырех типов: системные, взаимодействия с пользователем (оператором),
датчики (сенсорные) и исполнительные механизмы (управляющие).
Измерительный прибор является одним из компонентов ИИС или
автономным измерительным средством. В общем случае он содержит
измерительную схему, преобразовательно-усилительный элемент и средства
представления, записи или регистрации информации. Для регистрации
аналоговых сигналов используются показывающие (шкальные) или
самопишущие приборы, включая шлейфовые осциллографы, а для
представления цифровой информации — цифровые приборы, включая электронные
осциллографы с памятью.
Простая измерительная схема (рис. 20, а) состоит из последовательно
включенных датчика Д, например термосопротивления, и измерительного
прибора (ИЛ) к источнику питания. Недостатками такой измерительной
схемы является то, что через датчик Д и прибор ИП проходит полный
ток, зависящий от напряжения U источника питания, низкая
чувствительность S которого в общем случае определяется отношением приращения
сигнала Ах на выходе схемы к единичному изменению сигнала на входе
Ду,т. c.S = Ах/Ау.
Эти недостатки частично устраняются при использовании
дифференциальной измерительной схемы включения датчика (рис. 20, б), в
которой прибор ИП измеряет не полный ток, протекающий через датчик Д,
71
o-t-
Рис. 20- Измерительные схемы
а разность значений двух токов /, и /2, протекающих в двух контурах,
в одном из которых включен датчик Дав другом — образцовый резистор
Ro. Оба контура подключены ко вторичной обмотке трансформатора
Тр, которая имеет две симметричные секции и вывод со средней точки.
Токи /, и 1г проходят через прибор ИИ в противоположном направлении,
поэтому при одновременном их изменении, что происходит при изменениях
напряжения питания, разность этих токов не изменяется, следовательно,
показания прибора ИП не зависят от колебаний напряжения питания сети.
Недостатком дифференциальной схемы является необходимость
применения симметричного истощгика питания.
Наиболее часто используют мостовые измерительные схемы, которые
бывают уравновешенные и неуравновешенные, постоянного и переменного
тока. Мостовые схемы (рис. 20. в, г и д) представляют собой обычно
четырехплечник, в одно плечо или два плеча которого включены датчики,
например, термосопротивление или тензорезисторы, а в остальные плечи
включены постоянные И' подстроечные резисторы. На рис. 20, в, г, д
А, В, С, D — вершины моста, AC, CB, BD и DA -- плечи моста, АВ -
диагональ питания, CD — диагональ измерения.
В мостовой измерительной схеме прибор ИП, лошметр или нуль-
орган {НО) образуют как бы мост между двумя параллельными ветвями
АСВ и ADB, поэтому схему и называют мостовой или просто мостом.
Мосты переменного тока — это такие мостовые измерительные схемы,
диагональ питания которых подключена к источнику переменного тока,
а ветви (плечи) имеют одно или несколько реактивных сопротивлений.
72
Мосты постоянного тока - это измерительные схемы, которые могут
питаться постоянным или переменным током. Плечами моста являются
только постоянные резисторы и датчики активного сопротивления. В
дальнейшем рассматриваются только мосты постоянного тока,
применяемые в швейном производстве при измерении температуры с помощью
термосопротивлений и изучении динамических нагрузок, возникающих
в нитках и звеньях механизмов и машин и регистрируемых тензодатчи-
ками.тензоусилителями и шлейфовыми осциллографами.
В основу работы мостовых измерительных схем положено следующее
условие: если Лд^г =^1-Кз> то Iqd = О- В том случае, когда произведения
сопротивлений противоположных плеч равны между собой, мостовая
схема уравновешена (сбалансирована) и ток в измерительной диагонали
отсутствует. В этом случае разность потенциалов между точками
(вершинами) Си D равна нулю.
Таким образом, при изменении неэлектрической измеряемой величины
изменяется сопротивление Ra датчика, нарушается условие равновесия и
в измерительной диагонали появляется ток.
В неуравновешенной мостовой схеме (см. рис 20, в) измерительный
прибор ИИ служит для непосредственного отсчета показаний
контролируемой неэлектрической величины и шкала прибора нроградуирована в
значениях этой величины (например, при измерении температуры — в градусах,
при измерении динамических нагрузок - в ньютонах). В последнем
случае неуравновешенный мост применяется для градуировки тензодат-
чиков.
Недостатком мостовых измерительных схем является зависимость
показаний прибора ИП от колебаний напряжения питания, поэтому в
качестве измерительного прибора применяется логометр (см. рис. 20, г),
являющийся разновидностью дифференциальной схемы включения
чувствительных элементов. Рамка и^ логометра включена в измерительную
диагональ моста, а рамка w-i подключена к диагонали питания. При
изменении напряжения питания изменяются токи в обеих рамках, и, так как
показания логометра зависят от соотношения этих токов, погрешности
результатов измерения при колебаниях напряжения питания не возникает.
В уравновешенной мостовой схеме (см. рис 20, д) прибор,
включенный в диагональ измерения, называется нуль-органом. Он служит для
контроля равновесия измерительной схемы. Уравновешивание схемы
производится с помощью реохорда Rp — переменного калиброванного
резистора, включенного в одно из плеч моста, а отсчет показаний
измеряемой неэлектрической величины производится по шкале, нанесенной вдоль
реохорда после уравновешивания мостовой схемы, каждый раз, когда
изменяется сигнал датчика Лд.
В компенсационной схеме (рис. 20, е) имеется два источника тока:
термопара 777, ТЭДС, .й"х которой зависит от температуры в объекте, и
источник Ер, включенный в цепь реохорда /?р и служащий для
уравновешивания Ех. Принцип работы компенсационной схемы основан на
компенсации (уравновешивании) ЭДС термопары падением напряжения на участке
73
кш/ пира
метр
1/
SxoUhoij
длох
i
А
V-
Аналого-цифровой лреобра
зовате/гь/АЦп)
\\\
\ Интерфейс
1 С бас/и
K/iaBua-
тура
Интерфейс
B0f
Интерфейс
бь/бода
6/7ОК О б/710 -
т
Интерфейс
вь/Soda
С/дщая шими микроЗВМ
ш
таи тгки WR я
Центральнь/и
процессор
Рлера/т/в//ое
запоминающее
У1тройсл1во@ЪУ)
Лос/лоя/шое зи
поминиющре
f/cmpoiirmdo( ПЗЧ)
Рис. 21. Структурная схема цифрового программируемого мультиметра:
1 — адреса; 2 — данные; 3 — сигналы управления
АС реохорда, т- е. когда Ех ~ IpRp _ , /х = 0. Момент компенсации
отмечает нуль-орган, а отсчет показаний производится по шкале реохорда Rp.
Условие компенсации сводится к следующему: компенсирующее
напряжение должно быть равно ЭДС на выходе датчика.
Уравновешенная мостовая схема положена в основу работы
автоматических мостов, а компенсационная схема — автоматических
потенциометров (компенсаторов). Эти приборы относятся к автоматическим
контрольно-измерительным приборам {КИП), в которых
уравновешивание измерительных схем производится с помощью реверсивных двухфазных
конденсаторных двигателей.
Современные цифровые измерительные приборы строятся на основе
микроЭВМ, т. е. имеют память, могут перепрограммироваться и выполнять
логические и расчетные операции. Например, цифровые программируемые
мультиметры — это многофункциональные приборы для измерения
напряжений постоянного и переменного тока, сопротивления резисторов,
емкости конденсаторов, коэффициента усиления, частоты и других
электрических параметров (рис. 21). С клавиатуры выносного пульта прибору
задаются программа системой команд, определяющих измеряемый
параметр, режим измерений, запоминание результатов наблюдений,
алгебраические и тригонометрические вычисления при выполнении косвенных
измерений, статистическую обработку результатов измерения, а также
команды, относящиеся к чисто программным процедурам (условные
переходы, адресация, вывод на дисплей и т. п.). Например, при измерении
прибором мощности, рассеиваемой на резисторе сопротивлением R, про-
74
граммируемыми операциями являются измерение номинального значения
R, измерение падения напряжения на резисторе, вычисление мощности по
известной формуле P—U2/R. Таким образом, хотя прибор работает в
режиме цифрового вольтметра, наличие программируемого компонента
позволяет расширить его функциональное назначение и определить
электрические параметры расчетным путем (косвенным методом), которые ранее
выполнялись с помощью карандаша и бумаги.
§ 3. Усилительные элементы автоматических устройств
В автоматических устройствах
усилитель служит для усиления маломощного сигнала с выхода датчика,
измерительной схемы или логической интегральной схемы (ИС) до
величины, достаточной для срабатывания исполнительного механизма
(двигателя, соленоида, электромагнитной муфты, мощного реле и др.)
Усилители электрического действия делятся на электронные,
магнитные и электромеханические, а неэлектрического действия — на
механические, гидравлические и пневматические.
Электронны е усилители получили преимущественное
применение при автоматизации производственных процессов и в автоматике. В
зависимости от схемы включения, простого или интегрального
исполнения усилительных элементов, условий их применения и назначения
различают усилители постоянного и переменного тока (низкочастотные,
высокочастотные и др.), магистральные и выходные, одно- и многокаскадные,
операционные я др.
По назначению различают усилители напряжения, тока и мощности,
для которых требуется выполнение следующих условий согласования
RBX — входного, /?ВЫх - выходного сопротивлений усилителя и RH ¦¦-
сопротивления нагрузки, подключенной на выходе усилителя:
для усилителя напряжения/?вх>Rн и Ris >RBhiX:
для усилителя тока/?вх <RH ийц <КВых'>
для усилителя мощности RBX ^RH mRh »• /?Вых-
Основные характеристики электронных усилителей (коэффициент
усиления и коэффициент полезного действия, нелинейные искажения и
уровень собственных частот, частотная и фазовая характеристики
различных усилительных элементов и реальных усилителей) изучаются в курсе
промышленной электроники.
Общий принцип усиления на основе типового усилительного элемента —
транзистора сводится к следующей схеме увеличения мощности,
напряжения или тока входного сигнала. Маломощный входной сигнал, например
от датчика, с помощью транзистора управляет расходом энергии источника
питания значительно большего уровня мощности, т. е. увеличение
мощности сигнала на выходе усилителя по сравнению с мощностью сигнала на
входе получается в результате использования дополнительной мощности
источника питания.
Принцип усиления напряжения на основе транзистора Т по схеме с
общим эмиттером (рис. 22, а) можно пояснить л о входным (рис. 22, б)
75
и выходным (рис. 22, е) характеристикам. На семейство выходных харак-
теристик наносится линия нагрузки АВ, проведенная через точку А,
соответствующую UK = \2 В, и точку В, соответствующую /Kmax = UKjRK.
При отсутствии сигнала на входе усилителя ток /д базы выбран равным
0,1 мА. Этот выбор определяет положение рабочей точки на линии
нагрузки. Входное напряжение с амплитудой UBX — 0,05 В вызывает, как
показано на входных характеристиках, изменение тока базы /g в пределах
0,1 ± 0,05 мА. Кривая изменения тока базы, вызванного входным
напряжением, показана на рис. 22, в. Там же построена кривая изменения
выходного напряжения ?/вых (?).
Как видно из графического построения, амплитуда выходного
напряжения UBblx =2,5 В, в то время как на вход было подано напряжение
UBX = 0,05 В. Следовательно, коэффициент усиления по напряжению
составляет:
kU = С/выхтах/Увхтах;
= 2,5 : 0,05 = 50.
В схеме включения транзистора с общим эмиттером (см. рис. 22, а),
в которой управляющий сигнал используется для возбуждения тока базы,
при применении мощного транзистора и логической интегральной схемы
(ИС), например тина1 ТТЛ, получаем мощную переключающую схему
для использования в периферийных схемах управления или в буферных
схемах интерфейса (рис. 23, а).
Если необходимо получить достаточно высокие выходные токи,
например при включении электромагнитного привода исполнительных
механизмов швейной машины, а в схеме используются транзисторы с малым
коэффициентом усиления, то входной возбуждающий ток должен иметь
достаточно высокий уровень. Для нормальной работы переключателя тока
на транзисторе важно, чтобы переключаемый ток имел большую величину
при малом падении напряжения на транзисторе. При небольшом
переключаемом юке и достаточно большом остаточном напряжении на транзисторе
выделяемая в транзисторе тепловая энергия может привести к его пере-
R1
0,25
0,20
0,15
0H
0,05
Оо
IgM
то Чгяв
Йщ-го
ъ
L7J
#
0,1 О?
^0,5 Щ,8
OJB
Рис. 22. Схема (а) и характеристики (б, в, г) однокаскадного усилителя
76
Рис. 23. Мощные переключающие схемы для автоматического управления
исполнительными механизмами оборудования швейного производства:
о — усилитель на основе мощного, логически управляемого транзистора; б — усилитель
на интегральной схеме (ИС) ; в — усилитель на основе тиристора (кремниевого
управляемого вентиля КУВ) с оптронной развязкой; г — релейная схема; д — усилитель
на основе полевого транзистора; 1 ТТЛ — вентиль с открытым коллектором;
2, 3 — логические входы; 4 — нагрузка (индуктивная или активная) ; 5 — оптрон;
6 - К-МОП - вентиль; 7 - V-МОП - вентиль
греву и отказу. Кроме того, при возбуждении транзистора слабым током
происходят медленное прохождение опасных зон при включении и
выключении этого тока и выход транзистора из строя. Для устранения указанных
недостатков используют следующие основные конструктивные решения
мощных переключающих транзисторных схем:
форсированный режим включения транзистора, т. е. возбуждение его
кратковременным повышенным значением возбуждаемого тока;
использование нескольких каскадов усиления (рис. 23, б);
применение транзисторов или их эквивалентов с высоким
коэффициентом усиления.
Таким эквивалентом, выполняющим функции усилительного элемента
в схеме мощного электронного переключателя, является тиристор,
называемый часто кремниевым управляемым вентилем (КУВ).
Тиристоры — это твердотельные полупроводниковые приборы, работающие как
выпрямители тока во включенном состоянии и обладающие высоким
сопротивлением при выключении. По конструкции они похожи на
транзисторы и имеют три вывода: анод (соответствует коллектору
транзистора) , катод (эмиттер) и управляющий электрод (база транзистора).
В отличие от транзисторов тиристоры не могут быть использованы как
компоненты линейных усилителей, так как работают только в режиме
включения и выключения.
Для переключения тиристора требуется малый переключающий ток.
Отношение тока нагрузки к току управления (возбуждения), которое
аналогично коэффициенту усиления транзистора, обычно не превышающего
77
значения, равного 200—300, у тиристоров составляет 1000 и более.
Поэтому, например, при импульсном возбуждении током 20 мА тиристор малой
мощности тина КУ102 может переключать ток 20 А и более. Недостатком
работы тиристоров является то, что они после ввода их в открытое
состояние не выключаются, даже если будет выключен возбуждающий ток. Для
выключения тиристора необходимо отключить ток нагрузки.
Благодаря своей вольт-амперной характеристике с двумя устойчивыми
состояниями тиристоры широко используются в переключающих схемах
с питанием от источника неременного тока при высокой частоте включения.
Так как тиристор в схемах с переменным напряжением работает как одно-
полунериодный выпрямитель, то увеличение или уменьшение передаваемой
мощности достигается изменением частоты питающего напряжения.
Тиристор, работающий как двухполупериодиый выпрямитель, т. е.
пропускающий через себя ток обеих полярностей и конструктивно выполненный
в виде двух параллельно включенных и направленных встречно друг другу
тиристоров, возбуждаемых связанными логическими вентилями,
называется симистором (т р и а к о м). Симисторы применяют в качестве
симметричных управляемых ключей, например КУ208,
В схемах переключателей больших токов и высоких напряжений для
согласования уровней (порогов) срабатывания компонентов и
безопасности работы, например, с тиристорами используется развязка
управляющей цени тиристора (на рис. 23, в он обозначен КУВ). Наиболее часто
для этой цели используют оптическую (оптронную) развязку с помощью
опт р о н а. Онтрон — это полупроводниковый прибор, содержащий
в одном корпусе светоизлучающий диод {СИД) и фотоприемник, например
фототранзистор (ФТ), используемый как фотодиод, например типа АОТ102.
Обозначение расшифровывается так". А — арсенид (материал излучателя);
О — оптрон; Т — вид фотоприемника - транзистор (могут быть также
Д -- диод, Р — резистор, У — тиристор); 1 — классификационный по
назначению номер; последние две цифры — порядковый номер разработки.
Тиристоры и симисторы создают большие помехи, когда включают
ток в нагрузке, если их включение происходит в середине периода
изменения напряжения, когда мгновенное значение напряжения максимально.
Поэтому необходимо проектировать переключающие схемы с включением
тиристоров или сими сто ров в начале цикла перехода мгновенного значения
напряжения с одной полярности на другую.
Электромагнитные реле относятся к электромеханическим
усилителям. На использование их в схемах с цифровым программным
управлением нет никаких ограничений. Реле получили широкое
применение в стандартных схемах управления для подключения больших токов
к нагрузкам с помощью маломощных переключателей. Они могут также
выполнять роль аналогового переключателя, так как при срабатывании
реле через его замыкающие контакты могут проходить аналоговые сигналы
от постоянного тока до тока высоких частот. И только низкие скорости
переключения и невысокая надежность механических компонентов
(контактов) ограничивают область применения реле.
78
Принцип работы реле простой. При прохождении тока по катушке
возникает магнитный поток, под действием которого ферромагнитный
якорь притягивается к сердечнику катушки, в результате чего его
контакты замыкаются, размыкаются или переключаются. Для возбуждения реле
обычно требуется небольшой управляющий ток. Например,
малогабаритное герметичное реле типа РЭС 55А имеет сопротивление катушки 380 Ом
и возбуждается входным напряжением 12 В, следовательно, для работы
реле требуется ток возбуждения 30 мА.
Для предотвращения подгорания контактов 1-Р1 реле (рис. 23, г)
от электрической дуги, возникающей при их размыкании, в цепи с
индуктивной нагрузкой применяют различные способы дугогашения.
Распространенным способом является шунтирование контактов, например
стабилитроном Д2. При выключении реле в его катушке Р1 индуктируется
ЭДС самоиндукции. Чтобы уменьшить амплитуду такого индуктивного
выброса напряжения, катушка i*/ зашуншрована диодом Д1.
При применении реле в интерфейсных схемах микроЭВМ необходимо
учитывать, что они имеют конечное время срабатывания и конечное время
отпускания. Это требует организации программных задержек при работе
реле в режиме реального времени в схемах коммутации исполнительных
механизмов технологического оборудования и регулируемых объектов.
Твердотельные реле- это реле, в которых могут
отсутствовать магнитные катушки, а в основу конструкции положены симисторы
или герконы. Полная электрическая изоляция входных и выходных цепей
(важная характеристика электромагнитных реле) в твердотельном реле на
тиристоре обеспечивается с помощью оптрона. Такие реле впаиваются
непосредственно в печатные платы, и не требуют теплоотводов даже при
управлении максимально допустимой мощностью исполнительного механизма.
На рис. 23, 6 показана схема электронного переключателя с
логическим управляющим элементом. В качестве твердотельного
полупроводникового переключателя использован полевой транзистор, имеющий
высокое быстродействие, низкие входные токи и способность выключения
после снятия входных возбуждающих сигналов. В отличие от обычных
биполярных транзисторов, в которых ток возбуждения непрерывно
протекает во входных цепях для перевода транзистора в открытое состояние,
рассматриваемые полевые транзисторы управляются токами возбуждения,
необходимыми только в переходные моменты включения и выключения.
Кроме того, ток возбуждения полевых транзисторов составляет несколько
микроампер, а не миллиампер, как для биполярных транзисторов.
Полевые транзисторы начали широко применяться для построения
интерфейсных и управляющих схем автоматики.
Сервоусилители — это аналоговые усилители постоянного
тока, усиливающие мощность входного сигнала. В сервоусилителях
отсутствуют' емкостные и индуктивные связи между усилительными
каскадами. Типичным и широко распространенным сервоусилителем являются
однокристальные операционные усилители (рис. 24),
возбуждающие обычные или балансные выходные транзисторные каскады.
79
Применение операционных усилителей (ОУ) обусловлено тем, что часто
для возбуждения внешних устройств требуется аналоговое изменяющееся
возбуждение (ток или напряжение), намного больше, чем сигнал,
генерируемый на выходе цифро-аналоговых преобразователей. ОУ является
усилителем постоянного тока с дифференциальным входом, т. е. на вход
может подаваться два сигнала С/ВХ1 и UBX2. ОУ относятся к интегральным
микросхемам, т. е. схемам, в которых активные и пассивные элементы
изготовлены по микроэлектронной технологии на одной подложке или
одном монокристалле. На рис. 24 приведена принципиальная
электрическая схема типового представителя ОУ серии К140УД1 (пунктиром
обозначен корпус интегральной микросхемы), в котором без навесного
монтажа выполнено восемь транзисторов 77 — Т8, двенадцать резисторов
R1 — R9 и RK — RK и один диод Д1. Если интегральная схема включает
в себя до 10 элементов, то это малая интегральная схема (МИС), если
таких элементов от 10 до 100, то это средняя интегральная схема (СИС),
если, от 100 до 1000 - это большая интегральная схема (БИС) и больше
1000 - сверхбольшая БИС {СБИС). На рис. 25 к ОУ подключены элементы
навесного монтажа RH, С, фотодиод ФД, с клемм которых можно измерить
уровни сигналов. Эти элементы можно перепаять. Выполнить эти приемы
для отладки или проверки работоспособности элементов (см. рис. 24)
интегральной микросхемы не представляется возможным, поэтому при
выходе из строя одного из элементов необходимо производить замену
всей интегральной микросхемы или часто в производственных условиях
эксплуатации производится замена всей платы с несколькими
интегральными микросхемами, среди которых все, кроме одной ИС, исправны,
а ремонт, связанный с заменой вышедшей из строя ИС, производится
специалистом, использующим специальную аппаратуру и методики
определения и локализации неисправностей. Например, при определении работо-
17
Рис. 24. Электрическая схема операционного усилителя в интегральном исполнении
80
Рис. 25. Титывая схема внешних
соединений операционного усилителя
выход
способности или неисправностей цифровых интегральных микросхем,
особенно БИС и построенных на их основе программируемых устройств
автоматики, необходимо использовать цифровые тестеры, сигнатурные
анализаторы и другие приборы. При применении сигнатурного анализа и
подключении сигнатурного анализатора к контрольной точке и ко входу
схемы (системы), измерения сводятся к определению значений сигнатуры
(сжатой информации), которая выводится на цифровое табло анализатора
и подтверждает исправность системы либо расшифровывает вид и место
нахождения неисправности.
Усилители не электрического действия маломощный
входной сигнал усиливают путем использования дополнительной мощности
от подключаемого внешнего источника энергии: в гидравлических —
энергии рабочей жидкости из напорной магистрали, содержащей гидропривод;
в пневматических усилителях — энергии сжатого воздуха из пневмосети;
в струйных усилителях — изменения режима течения пневмоструи, т. е.
благодаря переходу режима из ламинарного в турбулентный при действии
управляющего сигнала и восстановлении ламинарного режима течения
пневмоструи после снятия управляющего сигнала.
Управляющим элементом гидро- и пневмоусилителей являются
переменные дроссели в виде золотника или сопла-заслонки, называемые еще
гидро- или пневмораспределителями, а исполнительным элементом —
поршневой механизм. В струйных усилителях управление производится
нневмоструями 5 (рис. 26), 6 или 7, подаваемыми через соответствующие
каналы, которые, соударяясь со струей 1 сопла питания, изменяют режим ее
течения. При этом основная часть воздуха из камеры 2 выходит через
канал 3 в атмосферу и динамический напор в приемном канале 4
существенно уменьшается, т. с. происходит смена уровня выходного сигнала или
Рис. 26. Турбулентный
усилитель
в J
81
Схема 4. Классификация устройств струйной техники и пневмоавтоматики
Устройства с трупмрй
техники и пневмоавтоматики
Входные
Пневмо -
KHOfTKU
/7небма -
тс/мблеры
Переключа
тели
Командо-
аппараты
Управления
Логические
элементы
Элементы
памяти
Логические
устройства
Цифровб/е
устройства
Конечные &,//с-
лючатели
Реле
бремени
Ре/re тепло
вые
7О- |
Реле
давления
Датчики числа
I р
j преобразователи
Выходные (/cm -
ройстба и
исполнительные
механизмы
¦ ВауомогательныеХ
Усилители
Ласкатели с
Ямевмоэлектро -
р
образователи
/faptt/невь/е
механизмы
— Индикаторы
Звукабые
сигнализаторы
блоки
литания
Фильтры
Осишитеяи
боздиха
$локи
монтажные
Р?гиляюры\
давления
переключение логического элемента с состояния „3" в состояние „О" (с
единичного состояния в нулевое). После снятия управляющего сигнала
давление в приемном канале 4 возрастает, так как ламинарность струи 1
восстанавливается, а на выходе формируется выходной сигнал высокого
уровня. В рассмотренном случае струйный усилитель выполняет роль
неэлектрического логического элемента, реализующего функцию
логического умножения (конъюнкцию) - отрицания, обозначаемые ИЛИ - НЕ
на три входа или одновходовую функцию НЕ.
82
LI
-±-
__x_
X
Л"
а г В г
На схеме 4 приведена классификация устройств струйной техники
и пневмоавтоматики, а ниже — условные обозначения входных, выходных
и вспомогательных устройств пневмоавтоматики.
Иневмораспределитель „2/2"
исходное положение - два
закрытых подвода сжатого воздуха, т. е.
закрытое состояние в нулевом
положении или нормально закрытый
контакт; исходное положение —
один закрытый, а второй открытый
подвод, т. е. открытое состояние
в нулевом положении или
нормально открытый контакт
Пневмораспределитель ,,3/2"
исходное положение - подвод
закрыт, например, иневмоцилиндр
подключен к линии обратного
потока; исходное положение — линия
обратного потока закрыта,
например, цилиндр одностороннего
действия находится под давлением,
так как подвод открыт (а - пнев-
мокнопка или пневмотумблер
(нормально закрытые); б - концевой
или путевой выключатель с
механическим управлением; в - пнев-
моклапан с управлением от
электромагнита; г - электромагаитный
пневмоклапан с дополнительным
ручным управлением; д -
управление от пневмосигнала; е -
возвратная пружина)
Пневмораспределитель ,,4/2"
имеет два противоположных
направления для потока и
применяется, например, для пневмоци-
линдров двустороннего действия
Пневмораснределитель ,,5/2"
имеет как и „4/2" шшвмораспре-
делитель два прохода для потока
(назначение то же)
Перекидной клапан
первое впускное отверстие с
высшим давлением соединено с
выпускным отверстием, второе
впускное отверстие в это время закрыто.
Реализует лошческую операцию
ИЛИ (логическое умножение)
Дроссель с регулируемым
дросселированием и обратным клапаном
Блок подготовки воздуха
A — фильтр; 2 — регулятор давления;
3 - маслораспылитель для смазки
поступательных кинематических пар в пневморас-
пределителях и пневмоцилиндрах)
д е
1
\
X
83
Входные устройства предназначены для ввода в систему управления
информации о состоянии или положении механизмов или их звеньев,
о параметрах контролируемого процесса, а также ввода внешних заданий
или команд.
Устройства управления предназначены для обработки информации,
получаемой от входных устройств в соответствии с заданным алгоритмом
работы машины, и формирования управляющих сигналов или
воздействий на исполнительный механизм или объект управления.
Назначением выходных устройств является управление
исполнительными механизмами и устройствами, а также выдача информации о
состоянии циклограммы или переключениях, происходящих в машине или
объекте управления.
Вспомогательные устройства обеспечивают функционирование системы
управления и облегчают или упрощают монтаж и эксплуатацию элементов
и устройств пневмоавтоматики.
Пневморасиределители на пневмоавтоматических принципиальных
.схемах обозначаются прямоугольником, разделенным на квадраты. При
этом число квадратов соответствует числу позиций подвижного элемента.
Пневмораспределитель изображают в исходной позиции. Чтобы представить
его действие в рабочей позиции после срабатывания, необходимо мысленно
передвинуть тот квадрат, который изображен без подводящих линий пнев-
мосети, и наложить его на место квадрата для исходной позиции, оставляя
линии подвода пневмосети и обратного потока в прежнем положении.
Проходные каналы изображают линиями со стрелками,
показывающими направления потоков рабочей среды в каждой позиции. Обозначаются
пневмораенределители дробью, в числителе которой указывается число
проходных каналов, а в знаменателе — число позиций, например
распределитель трехходовой двухпозиционный обозначают „3/2", а пятиходовой
трехпозиционный „5/3".
Переключение пневмораспределителя, т. е. перевод его из исходного
положения в рабочее, выполняется вручную с помощью пневмокнопки,
пневмотумблера „2/2" или автоматически путем механического нажатия
исполнительным механизмом на толкатель или ролик, когда
пневмораспределитель выполняет роль путевого или концевого выключателя или
переключателя, а также с помощью электромагнита, управляемого по заданному
алгоритму электрической схемой, или нневмосигнала, управляющего
подачей или снятием давления в управляющей камере нневмораспределителя.
Г Л А в Л 4
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
§ 1. Общие сведения и классификация исполнительных механизмов
При автоматизации и роботизации
технологического оборудования и процессов швейного производства
исполнительные механизмы (ИМ) могут выполнять роль приводов, иере-
84
даточных механизмов или непосредственно воздействовать на рабочий
инструмент или рабочий орган. Например, в промышленных роботах в
качестве исполнительных механизмов широко используются двигатели
постоянного тока, линейные двигатели или редукторные двигатели
переменного тока, выполненные в виде следящего привода модулей степеней
подвижности или управляемые с помощью электромагнитных муфт с
двумя устойчивыми состояниями. В этом случае число исполнительных
механизмов зависит от числа модулей степеней подвижности
промышленного робота и выбранного способа управления ими дискретного или
непрерывного.
В графопостроителях, используемых в качестве чертежных автоматов
автоматизированных рабочих мест (АРМ) конструктора-модельера,
раскройных агрегатах с ЧПУ и швейных машинах с ЧПУ основными
исполнительными механизмами являются шаговые двигатели для перемещения в
горизонтальной плоскости рабочего инструмента (пера, резака и пялец)
по двум или трем программируемым координатам контура.
В технологических машинах швейного производства наиболее часто
применяются соленоидные или электромагнитные исполнительные
механизмы, например: в электромагнитных ловителях ленты-ножа при ее
обрыве на раскройных стационарных машинах; в механизмах для обрезки
ниток, подъема прижимной лапки, включения механизма реверса при
выполнении закрепок, отключения фрикционного регулятора натяжения
игольной нитки — на автоматизированных швейных машинах; для
включения, выключения и переключения нагревательных элементов в двух-
иозиционных регуляторах температуры оборудования для
влажно-тепловой обработки в электропечатающих машинках устройств вывода
алфавитно-цифровой информации, перфораторах и др.
Электромагнитные муфты и тормоза также широко применяются в
автоматизированном приводе швейных машин общего и специального
назначения, двухскоростных настилочных машинах и каретках, электро-
штабелерах и грузовых лифтах, а также различных транспортных
средствах, применяемых для внутрипроцессных перемещений рулонов ткани,
комплектов кроя, сборочных единиц, фурнитуры и готовых швейных
изделий.
Для линейных и поворотных перемещений рабочих инструментов
машин и манипуляторов, а также для перемещений обрабатываемого
объекта на сборочной позиции автоматизированных швейных машин и
швейных машин-полуавтоматов, включая прессы, используются
исполнительные механизмы в виде пневматических цилиндров одностороннего
и двустороннего действия и другие, управляемые в свою очередь с
помощью электромагнитных клапанов, которые также выступают в этом
случае в качестве приводных исполнительных элементов системы
управления.
Таким образом, на выходе ИМ информация об их состоянии может .
быть в цифровом виде или дискретная, когда ИМ находится в одном из
двух состояний „включен — выключен", или эта информация может быть
85
аналоговая (непрерывная), например, угол поворота, линейное
перемещение, ток, мощность и др. В первом случае для срабатывания ИМ
требуются импульсы тока для возбуждения соленоидов или шаговых
двигателей, во втором — точно контролируемый уровень тока или напряжения
для возбуждения линейных двигателей или других ИМ, пропорционально
управляемых электрическими сигналами. Для управления дискретными
ИМ используются схемы на основе тиристоров, транзисторов или У-МОП-
приборов, а для управления уровнями напряжения в цифровых
программируемых устройствах автоматики применяют аналого-цифровые и цифро-
аналоговые преобразователи и сервоусилители.
Основными требованиями, предъявляемыми к выбору или
проектированию ИМ быстроходных швейных автоматизированных машин,
является минимальное время их срабатывания (включения) и отпускания
(выключения), или быстродействие, которое может быть достигнуто
следующими основными способами:
электрическим — форсированным режимом включения и отключения
ИМ, при котором искусственно схемными методами ускоряются
переходные процессы в катушках электромагнитов, например при включении
подачей в катушку кратковременного повышенного, форсирующего
напряжения питания (импульсного напряжения). а при отключении
шунтированием катушки резисторно-емкостными приемниками электрической
энергии или другим способом;
механическим — за счет улучшения динамических характеристик,
например уменьшением приведенных моментов инерции и массы
подвижных частей и звеньев передаточных механизмов, кинематически связанных'
с якорем или подвижным сердечником электромагнита (соленоида),
а также других путей рационального проектирования таких механизмов.
§ 2. Электромагнитные исполнительные механизмы
В электромагнитах
электромагнитная сила Fs, напряжение питания U катушки и воздушный зазор х между
якорем и неподвижным сердечником связаны между собой в виде
электромеханической F3 (х) при 6r=const и нагрузочной F3 (If) при x=const
характеристик, которые для электромагнитов постоянного тока приведены
на рис. 27. Динамические характеристики в отличие от приведенных
статических учитывают законы изменения во времени тока /(/), напряжения
м(/) и ЭДС самоиндукции e(f) при включении и выключении катушки
электромагнита (рис. 27, б) и изменении зазора х, а также учитывают
закон изменения момента сил полезного сопротивления, которые
противодействуют электромагнитной силе F3. Исполнительные механизмы с
приводом от электромагнитов постоянного тока получили широкое
применение для автоматизации оборудования швейного производства
благодаря большой эксплуатационной надежности в переходных режимах
работы и меньшему уровню шума при работе по сравнению с
электромагнитами переменного тока.
86 ' . "
*,=**
Рис. 27. Основные характеристики типовых соленоидных исполнительных
механизмов при холостом ходе:
а — F3(x) — статическая электромеханическая характеристика при ?/=const и F3 (If) —
нагрузочная характеристика при x=const; б — типовые осциллограммы i(f) и u(t)
изменения тока и напряжения во времени при включении и отключении катушки
соленоида
Соленоиды — это электромагниты, в которых токовые сигналы
преобразуются в механическое линейное перемещение якоря
(подвижного сердечника или плунжера). Если с якорем соленоида кинематически
соединен рабочий инструмент технологической машины, например нож
для образки ниток, прижимная лапка, захват или золотник (клапан)
пневмо-, гидрораспределителя или передаточное звено (рычаг, коромысло,
тяга, гибкая передача и др.), тогда соленоид будет называться уже
соленоидным приводом. Если якорь соленоида кроме линейного перемещения
может передавать одновременно и вращающий момент от ведущего к
ведомому валу, то такой соленоидный привод называется
электромагнитной муфтой, которая конструктивно может быть выполнена различно.
Как частный случай такой конструкции можно рассматривать
электромагнитную тормозную фрикционную муфту.
В соленоидах может использоваться один или несколько
электромагнитов, перемещающих при срабатывании ферромагнитный якорь.
В некоторых случаях начальная позиция якоря устанавливается с помощью
регулировочных винтов, пружин или постоянного магнита. Принцип работы
соленоидов в различных исполнительных механизмах и конструкциях
имеет много общего. Такими общими и наиболее ответственными с точки
зрения надежности совместной работы и системы автоматики
технологической машины являются переходные режимы работы - процессы
включения, выключения и переключения катушек соленоида к источнику
питания или от источника.
Рассмотрим процесс включения соленоида и возможности
сокращения времени процесса включения, а затем процесс выключения соленоида
и возможности ускорения процесса выключения. Типовые осциллограммы
изменения тока i(t) и напряжения u(t) в катушке соленоида для этих
двух характерных процессов включения и выключения соленоида
приведены на рис. 27, <?.
87
В момент времени t\ к катушке соленоида подключается источник
тока напряжением U. Индуктивный характер нагрузки приводит к тому,
что увеличение тока в катушке отстает по времени от напряжения и
изменяется по экспоненциальному закону:
где /= U/R - установившееся значение тока; т,, = LIB - постоянная времени,
зависящая от соотношения индуктивности L катушки и ее активного сопротивления R.
По истечении времени t12 магнитный лоток, связанный с током,
достаточен, чтобы развитая электромагнитная сила F3 преодолела силу
тяжести якоря и силу сопротивления пружины. При движении якоря
уменьшается воздушный зазор х и увеличивается значение L, в результате чего
в катушке индуктируется ЭДС самоиндукции, направленная навстречу
питающему напряжению U. Поэтому по истечении времени tl2 в момент
времени t3 якорь притягивается и х = 0, а ЭДС самоиндукции во время
?2з уменьшает ток, однако равновесие падений напряжения в
электрической цепи на активной и индуктивной составляющих комплексного
сопротивления катушки соленоида сохраняется согласно уравнению:
iR+L—-U. .
dt
Далее ток стремится к более высокой постоянной времени и своему
минимальному значению /. Таким образом, по точке разрыва функции
it на участке ?2з .(см. рис. 27, б) можно судить о возникающем моменте
срабатывания соленоида, когда якорь оказывается притянутым. Чтобы
сократить время процесса включения, т. е. ускорить возрастание тока в
катушке или сократить порог срабатывания соленоида на участке ti2,
необходимо уменьшить постоянную времени тп- Для этого можно
последовательно с катушкой включить резистор сопротивлением ^ф (рис. 28,
а). Тогда постоянная времени форсированного режима т*,, будет
находиться в следующем соотношении с постоянной времени т12:
г* = ?/(Д+Лф) <тJ = L/R.
Если UH — номинальное напряжение катушки, a U напряжение сети,
и последнее в к раз больше ?/н,т. е. U — kUH,тогда добавочное
сопротивление 7?ф для форсированного включения соленоида определяется по
выражению: Яф = (к - 1)R-
Быстрое возбуждение соленоида через дополнительный резистор
приводит к увеличению потребляемой мощности. Этот недостаток частично
можно устранить при использовании импульсного форсированного режима
включения соленоида следующим образом. Вначале к катушке
прикладывается повышенное напряжение питания, и после срабатывания
электромагнита источник форсированного напряжения отключается и катушка
подключается к источнику номинального напряжения.
зм
о +
а 5 ' .
Рис. 28. Примеры принципиальных электрических схем дня форсированных режимов
включения (а) и выключения (б) соленоидов постоянного тока
Рассмотрим основные особенности переходного режима, возникающего
при отключении соленоида. Для сокращения времени выключения, т. е.
уменьшения постоянной времени г45 для промежутка времени ?45 (см-
рис. 27, б), параллельно катушке включается дополнительный резистор
¦^доп или цепочка параллельно включенных R и С (см. рис. 28, б), т. е.
резисторно-емкостный приемник энергии при отключении напряжения
питания в момент времени tA.
При размыкании цепи возбуждения ток в катушке не исчезает
мгновенно, так как поддерживается индуктируемой ЭДС самоиндукции е =
= _ lAL . Ток уменьшается также по экспоненциальной зависимости,
dt
но с другой постоянной времени т45 = L/(R + RaOn) '¦
Ток уменьшается до тех пор, пока электромагнитная сила^э не
уменьшится настолько, что якорь возвратится в исходное положение. В этот
момент времени /5 возникает точка разрыва функций eft) и i(t). Чем
больше параллельно включенное сопротивление Лдоп, тем меньше
постоянная времени 7s, тем больше индукционное напряжение, вызванное
ЭДС самоиндукции. Поэтому Raou следует выбирать с учетом работы и
других активных элементов схемы, например транзистора Т,
выполняющего в схеме роль электронного ключа.
Для экспоненциальных переходных процессов время переходного
режима соленоида заканчивается через промежуток времени, равный
трем значениям постоянной времени для соответствующих моментов
времени включения fj и выключения ?4 питания катушки соленоида.
Для форсированного отключения тока нагрузки кроме схемы на рис. 28, б
может также использоваться схема шунтирования катушки соленоида
стабилитроном.
В автоматизированных швейных машинах 0-Ю22МЛК, 0-1022МСК,
0-1022МТК и машинах конструктивно-унифицированного ряда на базе
89
машин 997МЛК, 997МСК и 997МТК используются серийно выпускаемые
промышленностью соленоиды постоянного тока следующих типоразмеров:
ЭУ6112 с номинальным тяговым усилием 40 Н для включения механизма
реверса и ЭУ9103 (ГОСТ 19264-82) с тяговым усилием 100 Н для подъема
прижимной лапки. Эти соленоиды могут применяться как в толкающем,
так и в тяговом исполнении. Ток срабатывания соответственно 1,8 и 2,4 А
при напряжении питания U = 24 В. Электрическая характеристика
электромагнитов для обрезки ниток и для отключения регулятора натяжения
игольной нитки, применяемых на указанных швейных машинах,
приведена в табл.3.
Т а б л. 3. Электрические параметры катушек электромагнитов постоянного тока
для автоматизированных швейных машин
Параметр
Напряжение питания, В
Потребляемый ток
при срабатывании, А
Диаметр провода, мм
Длина провода, м
Электромагнит для
механизма обрезки
ниток
24
1,2
0,31
500
Электромагнит для
выключения регулятора
натяжения верхней
нитки
24
0,9
0,25
700
Электромагнитные муфты предназначены для передачи
крутящего момента с одного (ведущего входного) вала на другой
(ведомый выходной) вал но сигналам управления, т. е. их можно рассматривать
как дистанционно управляемые включатели, выключатели или
переключатели вращательного движения, которые широко применяются в
автоматизированном приводе швейных машин общего и специального
назначения и другом оборудовании швейного производства, например
раскройных станках с ЧЛУ, автоматических манипуляторах, алфавитно-цифровых
печатающих устройствах.
В зависимости от характера связи между ведущей и ведомой
полумуфтами различают электромагнитные муфты (ЭММ) с механической
связью — ЭММ сухого трения, называемые часто фрикционными ЭММ
(рис. 29, а), и тормозные муфты (ЭМТ) (рис. 29, б). В ЭММ скольжения
связь между ведущей и ведомой полумуфтами осуществляется с помощью
магнитного поля. Эти муфты называются еще индукционными ЭММ
(рис. 29, в). В муфтах с вязким заполнителем (рис. 29, г) связь и передача
движения осуществляются силами вязкого трения и силами магнитного
поля, т. е. в этих муфтах используется комбинированная связь между
ведущей и ведомой полу муфтами.
Для фрикционных ЭММ и ЭМТ (см. рис. 29, а, б) справедливы все
особенности переходных процессов, связанные с включением и выклю-
90
г э
Рис. 29. Принципиальные
конструк'швно-кинемати-
ческие схемы
электромагнитных муфт:
а — фрикционной
приводной; б — фрикционной
тормозной; в —
индукционной (асинхронной) ;
г — ферропорошковой или
с вязким заполнителем
чением, которые указаны при рассмотрении соленоидов постоянного
гока. Кроме того, важным техническим параметром фрикционных муфт
и тормозов с электромагнитным приводом являются моменты трения
МТр и сцепления Мсц, которые находятся между собой в такой
зависимости: МТр —Мсц. Момент Мтр возникает во время проскальзывания
фрикционных колец 5 и б (см. рис. 29, а) относительно друг друга в период
пуска для ЭММ и в период торможения для ЭМТ. Момент Мса — это тот
момент, который возникает между полумуфтами 1 и 2, когда их вращение
относительно друг друга отсутствует, т. е. во фрикционных ЭММ
полумуфты сцеплены и вращаются без проскальзывания, а в тормозных —
застопорены. ЭМТ (см. рис. 29, б) обеспечивают останов машины при
отключении тока в обмотке возбуждения. При этом требуемый
тормозной момент создается усилием пружин 4, которые при обесточенном
тормозе прижимают якорную полумуфту (диск) / к неподвижной 2,
закрепленной на неподвижном корпусе. И наоборот, если катушка 3 возбуждена,
ю якорный диск притянут и пружины сжаты, а вал а, кинематически
связанный с якорным диском шлицевым соединением в, может свободно
вращаться вместе с якорным диском. Момент трения Мтр (момент
торможения, II • м) определяется по формуле:
91
Мтр = 9549 = Р/п,
где Р - мощность ЭМТ, кВт; п - частота вращения диска 1 в начале процесса
торможения, мин.
Частота и длительность переключений ЭМТ определяют типоразмер
электромагнитной тормозной муфты с учетом ее нагрева при
определенном режиме эксплуатации. По истечении промежутка времени f4s
запаздывания включения ЭМТ (см. рис. 27, б) возникает проскальзывание
якорного диска в течение времени Г5б, необходимого для торможения и
останова вращающихся масс привода и технологической машины. Время
торможения (проскальзывания) в секундах подсчитывав гея по формуле:
±ми
9,549 Мхр
где /пр - общий приведенный момент инерции масс привода и машины, кг • м2;
Ми - момент сил инерции, поддерживающий торможение в момент пуска (знак плюс
в формуле) или противодействующий торможению в момент останова (знак минус);
Mjp - номинальный момент торможения, Н • м.
Общим недостатком электромагнитных муфт вращения и торможения
является износ фрикционных колец 5 и 6, а также контактных щеток
8 (см. рис. 29, г), взаимодействующих с кольцами 7 (см. рис. 29, а). Эти
недостатки частично отсутствуют в индукционных ЭММ (см. рис. 29, в),
в которых при подаче питания в обмотку возбуждения 3 и вращении
ведущей полумуфты 1 вращается и магнитное поле. Оно наводит в ведомой
полумуфте 2 вихревые токи. Эти токи взаимодействуют с вращающимся
магнитным полем и создают электромагнитную силу и вращающий
момент, передаваемый на ведомую полумуфту, которая начинает вращаться
с асинхронной частотой. Вращающий момент и частоту вращения ведомой
полумуфты можно плавно регулировать изменением силы тока в обмотке
возбуждения 3.
В ЭММ с вязким заполнителем (см. рис. 29, г) между ведущей 1 и
ведомой 2 полумуфтами имеется постоянный зазор, заполненный
ферромагнитным порошком, сухим или взвешенным в масле в соотношении
по массе примерно 5:1. При отсутствии тока в обмотке возбуждения
МТр незначителен по величине, так как определяется только механической
вязкостью между частицами вязкой среды. При возбуждении катушки
током и вращении ведущей полумуфты возникает Л/Тр от сил сцепления
частиц порошка, который приобретает способность сопротивляться сдвигу.
Кроме того, между полумуфтами 1 и 2 возникает индукционная связь
в результате действия сил магнитного поля. При увеличении тока в обмотке
возбуждения вязкость порошка и индукционная связь возрастают и
увеличивается передаваемый вращающий момент.
В индукционной ЭММ и ЭММ с вязким заполнителем (см. рис. 29,
в, г) осевое перемещение ведомой полумуфты отсутствует.
92
§ 3. Электромашинные исполнительные механизмы
При использовании двигателей
постоянного и переменного тока в качестве исполнительных механизмов при
автоматизации технологического оборудования и процессов к ним
предъявляются следующие основные требования:
достаточная мощность при малых габаритах;
малоинерционность (при использовании конструкций с дисковым
якорем в двигателях постоянного тока и дисковым ротором в двигателях
переменного тока);
возможность плавного регулирования частоты вращения приводов с
короткозамкнутыми асинхронными электродвигателями.
Регулирование частоты вращения главного вала технологической
машины при асинхронном приводе может быть выполнено ступенчато
механическим способом с помощью двигателей со встроенным или
присоединенным редуктором или плавно за счет фрикционной ЭММ (см.
рис. 29, а), а также электромагнитной муфты скольжения (см. рис. 29, в).
Частота вращения и> магнитного потока статора трехфазного
асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором связана с частотой
/питающей сети и числом пар полюсов р следующей зависимостью:
со =/60/р,
поэтому, изменяя число пар полюсов или частоту питания, т. е. применяя
частотное регулирование, можно плавно изменять частоту вращения со
магнитного потока Ф статора двигателя, а значит, и привода. Момент
вращения, развиваемый таким двигателем, прямо пропорционален
квадрату магнитного потока и обратно пропорционален реактивности
рассеивания х$ , т. е. М = Ф2/х$- Соответствующее максимальному моменту
Mm ах скольжение пропорционально сопротивлению ротора и,
следовательно, зависит от температуры нагрева двигателя.
Зависимость частоты вращения п ротора двигателя от вращающего
момента М называется механической характеристикой двигателя.
Семейство таких характеристик при частотном регулировании приведено на
рис. 30, где номинальный момент Мн развивается двигателем при
номинальных частоте питания/„ = 50 Гц и частоте вращения ротора пн.
Наибольший интерес с точки зрения частотного регулирования
представляет часть кривой М(п) между положительным и отрицательным
значениями максимальных моментов Мтах вращения. Если понизить
частоту питания / при одновременном регулировании напряжения
питания таким образом, чтобы магнитный поток Ф статора поддерживался
неизменным, то кривая М(п) перемещается по оси частоты вращения
п ротора, сохраняя свою первоначальную форму (см. рис. 30). При этом
максимальный момент, скольжение при одном и том же вращающем
моменте и амплитуда статорного тока сохраняются неизменными.
Асинхронный короткозамкнутый двигатель может работать и в
генераторном режиме, что на рис. 30 отражено в соответствующих квадратах.
93
Назад д решиме
генератора
вперед д решиме
ддигателя
\\\\\
Назад б решиме
двигателя
Вперед в решиме
генератора
Рис. 30. Семейство механических
характеристик асинхронного двигателя при частотном
способе регулирования частоты вращения ко
роткозамкнутого ротора
Для упрощения изучения динамики
разгона и торможения привода с
асинхронным двигателем реальную
механическую характеристику М(п) можно
заменить приближенной путем замены
кривой ABCDE двумя пересекающимися
прямыми АВ и СЕ при условии, что
площадь, ограниченная этими прямыми,
равна площади, ограниченной кривой.
Рассмотрим основные способы и
принципы регулирования частоты вращения
асинхронных двигателей приводов технологических машин.
На рис. 31 приведены принципиальные схемы преобразователей
частоты, в которых к источнику трехфазного переменного тока сети
подключается тиристорный 1 или диодный 3 выпрямительный мост, на выходе
которого может быть включен сглаживающий фильтр постоянного тока в
виде дросселя или конденсатор С, являющийся промежуточным звеном
постоянного напряжения. Инвертор 2 — это три тиристорных
переключателя, включенных по одному в каждую фазную обмотку двигателя и
управляемых с помощью электронной схемы.
На рис. 31, а тиристорный мост I управляет постоянным напряжением
в зависимости от частоты питающего напряжения C ~ U), а инвертор
2 преобразует постоянное напряжение в трехфазное переменное напряжение
с частотой большей, чем частота питания сети. Преобразователь частоты
(рис. 31, б) подключается к сети переменного тока через диодный
трехфазный мост 3, но управление напряжением и частотой осуществляется
одним и тем же тиристорным преобразователем, т. е. инвертором с широт-
но-импульсной модуляцией, называемым еще /НЙМ-инвертором.
Принцип работы инвертора удобно рассмотреть на примере
электромеханической модели частотного преобразователя (рис. 32,а), содержащей
r—L—
2
1
Рис. 31. Принципиальные схемы преобразователей частоты для управления частотой
вращения асинхронных двигателей с помощью:
а -¦ тиристорного моста и инвертора; б -- трехфазного диодного моста и инвертора
с широтно-импульсной модуляцией
94
-0*
Г
%
uec
uc*
п г
7LJ
Рис. 32. Электромеханическая модель „одноим-
пульсного" инвертора и графики
вращающийся распределительный вал 1 с кулачковыми дисками 2,
смонтированными на этом валу и сдвинутыми по фазе на 120° относительно
друг друга. Вал 1 своими кулачками кинематически воздействует на
контакты переключателей, которые поочередно подключают к шинам
постоянного тока обмотки статора (фазы А, В, С) асинхронного двигателя.
Функция положений переключателя, графики продолжительности
замыкания кулачками 2, 3 и 4 фаз С, В, А при повороте вала 1 на угол if (рис. 32,
б) и графики изменения линейных Uj\Bif) и фазных U^{t) напряжений
показаны на рис. 32, в, г. Система переключателей позволяет получить
трехфазное напряжение, частоту которого можно регулировать путем
изменения частоты вращения кулачковых дисков 2 (см. рис. 32, а). При
изменении направления вращения кулачковых дисков изменится и
последовательность фаз трехфазной системы. Выходное напряжение (см. рис. 32, г
и рис. 33, а) содержит синусоидальную основную гармонику u(t) и высшие
гармоники напряжений «i(/) (на рис. 33, а заштрихованы). На рис. 33, б
высшие гармоники напряжения представлены в функции времени, на
рис. 33, в приведены соответствующие им высшие гармоники тока, а на
рис. 33, г показан закон изменения тока в фазных обмотках статора при
работе двигателя. Эффективное значение основной гармоники линейного
напряжения связано с постоянным напряжением Uo следующим соотношением:
¦0,78?/„.
Vab = Ubc = vca= -vf-*
ИХ J
Высшие гармоники могут вызвать в асинхронных двигателях
нежелательный „шаговый эффект", т. е. вращение ротора с рывками, что при-
95
Рис. 33. Образование формы тока асинхронного короткозамкнутого
электродвигателя, питаемого от инвертора:
а— выходное напряжение u(t) и основная гармоника ul (t); б — высшая гармоническая
составляющая напряжения; в — высшая гармоническая составляющая тока; г —
закон изменения тока под нагрузкой
водит к увеличению потерь в стали и меди электрической машины и может
быть источником шума при работе привода. Все „побочные влияния"
инвертора на асинхронный короткозамкнутый электродвигатель зависят
в основном от формы кривой выходного напряжения инвертора.
В реальных схемах автоматизированного привода используются
неэлектромеханические переключатели только для наглядности
рассмотрения принципа работы инвертора.
Шаговые электродвигатели (ШД) получили широкое
применение в качестве исполнительных механизмов в графопостроителях,
раскройных агрегатах с ЧПУ, вышивальных многоголовочных автоматах
и стачивающих швейных машинах с ЧПУ, а также в швейных
манипуляторах и специализированных применительно к швейному производству
промышленных роботах. ШД являются многофазными, а значит, и
многополюсными синхронными электродвигателями, у которых питание
фазных обмоток статора осуществляется поочередно импульсным
напряжением, в результате чего обеспечивается как стартстопное, т. е.
прерывистое, так и непрерывное движение ротора, кинематически связанного
с ведомым звеном или рабочим инструментом автоматической машины
или устройства с ЧПУ.
Например, стартстопный режим работы ЩД может обеспечивать
выстой пялец вышивального полуавтомата, а значит, и материала, зажатого
в пяльцах, при нахождении иглы в материале, а также другие программные
остановы, а непрерывный режим работы ШД, при котором используется
серия последовательно подаваемых импульсов (унитарный код),
обеспечивает непрерывное перемещение резака раскройного агрегата с ЧПУ или
вычерчивание на отдельных участках контура лекал или деталей кроя
непрерывных линий, получаемых на графопостроителе (чертежном автомате).
Конструкция типового двухсекционного ШД включает неподвижную
часть — статор, содержащий 6 обмоток, которые образуют по три пары
96
_
/
I
1
секция
с
2"
а
р^
сещия
f
\
1
В
—о
Рис. 34. Шаговый электродвигатель:
а — схема соединения фазных обмоток; б — зубчатые полюсные башмаки статора;
в — зубчатый ротор; г — развертка зубцов ротора и статора при возбужденной
фазе Л; д — развертка зубцов ротора или статора при возбужденной фазе В; е — схема
управления
полюсов в каждой секции (рис. 34, а), где буквами А, В, С, D, E, F
обозначены начала, а а, Ь, с и т. д. •- концы соответствующих обмоток (катушек,
фаз). Статор имеет также 6 полюсных башмаков (сердечников), на рабочей
стороне которых выполнено по три зубца 1 (рис. 34, б), т. е. всего 18
зубцов. Ротор выполнен также зубчатым, но с 20 зубцами 3 (рис. 34, б).
Шаг зубцов статора составляет 7го окружности, а так как зубцов всего
18, то в статоре как бы не хватает двух зубцов. Один из недостающих
зубцов (шагов) равномерно „распределен" в зазорах 2 между полюсными
башмаками. Второй недостающий зубец служит для формирования
возмущающего воздействия — дискретный поворот ротора на угол j3, равный
3° [ф — 360/B0 • 6)] . Взаимное расположение зубцов ротора и статора
определяет магнитную проводимость воздушных зазоров для магнитного
потока, создаваемого током фазных обмоток, что наглядно показывает
плоская развертка зубцов ротора и статора ШД для двух случаев: подачи
управляющих импульсов напряжения в фазные обмотки А (рис. 34, г),
4- 786
97
а затем В (рис. 34, д). На этих рисунках пунктиром показан участок
расположения соответствующих зубцов полюсных башмаков и ротора
относительно яруг друга (F3M ~~ возмущающая электромагнитная сила —
момент, поворачивающий ротор на один шаг И). На рис. 34, г зубец ротора
полностью перекрыт зубцом полюсного башмака фазы А, т. е. зубцы 1
и 2 расположены напротив друг друга. В фазе В зубец полюсного башмака
будет смещен на 1/6h, в фазе С - на 2/6h и т. Д. Смещение на У6 шага
сохраняется для любых соседних фаз. Фаза А (см. рис. 34, г) находится
под напряжением, и магнитный ноток статора замыкается на роторе
через воздушный зазор между зубцами 1 и 2. Это положение ротора будет
устойчивым до тех пор, пока импульс напряжения не будет подан в фазу
В. При этом ротор повернется на угол /3, соответствующий l/bh до
совмещения его зубцов с зубцами полюсного башмака фазы В. Программу
коммутации фаз можно построить путем передачи импульсов напряжений
от одной фазы к соседней, при этом j3 = 3°. На практике для увеличения
крутящего момента, развиваемого ШД, необходимого для преодоления
сил инерции и моментов от этих сил, а также сил полезных и вредных
сопротивлений, применяется одновременное включение и переключение
нескольких фаз, например, по такой программе: А ~* А и В одновременно
-* В -+В и С одновременно -> С — Си Д одновременно и т. д. В этом случае
устойчивыми положениями ротора будут не только „зубец против зубца",
но и промежуточные состояния „зубец против зубца со смещением на
Vi2 шага", а цена деления шага уменьшается вдвое, т. е. |3 = 3,5°. Можно
организовать и такой алгоритм переключения фаз обмоток статора: А,В-*
-+А.В, С^В,С-+В, C,D^C,D->C,D,E\ii.n,-
Возможны различные программы коммутации с различной
цикличностью, отличающиеся числом тактов в цикле. Для 6-фазных ШД часто
применяют 12-тактный цикл коммутации. В процессе коммутации фаз
с помощью блока управления ШД, выполненного на интегральных
элементах по принципу „жесткой логики" (рис. 34, е), или свободно
программируемого устройства управления ЩД на базе микроконтроллера или микро-
ЭВМ, вектор магнитного поля поворачивается дискретно или непрерывно
с угловой скоростью, пропорциональной частоте поступающих в
электронный коммутатор (ЭК) импульсов управления. Ротор отстает от этого
вектора, так как именно это отставание создает „натяг" в магнитном
поле и движущий (синхронизирующий) момент. Однако с увеличением
частоты управления это отставание может увеличиваться, но не должно
превышать времени цикла коммутации, поэтому основными
характеристиками ШД являются:
частота приемистости •- это мгновенный перепад частоты управления,
отрабатываемой ШД без потери синхронизации, составляющая не более
2 кГц;
максимальная частота управления A6-18 кГц) — это частота,
допустимая для ШД, в режиме плавного разгона.
Управление ШД основано на изменении частоты, числа и порядка подачи
импульсов постоянного напряжения в его фазные обмотки. Изменением
98
частоты импульсов регулируют частоту вращения ШД. Программный
поворот ротора ШД на требуемый угол а осуществляется подачей
определенного числа импульсов. Изменение направления вращения ротора происходит
при изменении полярности импульсов напряжения.
Функциональная схема управления ШД на „жесткой логике" (см.
рис. 34, е) состоит из регистра RG с параллельными входами, управляемого
генератора G импульсов, на выходе которого включена интегральная
микросхема, реализующая логическую операцию И, двоичного счетчика
СТ2, дешифратора DC, электронного коммутатора ЭК и усилителей
мощности УМ1 — УМЗ, включенных в соответствующие фазы обмоток ШД.
Регистр RG служит для хранения кода очередной команды,
подаваемой по сигналам (стробам) синхроимпульса СИ сопровождения
команды. Управляемый генератор G импульсов состоит из генератора
прямоугольных импульсов и дискретного делителя частоты, например, в виде
счетчика с автоматически изменяемым коэффициентом пересчета
(деления) . Электронный коммутатор преобразует поступающие на его вход
импульсы напряжения с частотой / в m-фазную систему импульсных
напряжений, подаваемых после усиления на соответствующие фазные
обмотки ШД. Схема ЭК может быть построена на основе реверсивного
сдвигающего регистра, реверсивного счетчика с дешифратором и других схем.
Последовательность переключения фазных обмоток ШД определяется
кодом разряда „направление вращения" поступившей команды.
Программный поворот ротора ШД на требуемый угол а осуществляется
следующим образом. Вначале в счетчик СТ2 записывается код угла а в виде
необходимого числа импульсов: п = а/E. Затем каждый вырабатываемый
генератором импульс уменьшает содержимое СТ2 на единицу до тех пор,
пока его содержимое не станет равным нулю. При этом на нулевом выходе
DC появится логический нуль, который запирает схему „И". Схема „И"
закрывает поступление импульсов на ЭК, а значит, на ШД. Если на
вычитающий счетчик импульсы подавать не с выхода G, а от датчика шагов,
связанного с ротором ШД, то повышается надежность и точность отработки
заданного угла (шага) двигателем.
Схема управления ШД на основе микроконтроллера или микроЭВМ
будет рассмотрена после изучения типовой структуры и принципа работы
микроЭВМ и проиллюстрирована на конкретных примерах ее применения
в двухкоординатных программируемых устройствах, используемых в
раскройных агрегатах и швейных машинах с ЧПУ и других объектах
швейного производства.
Важным параметром в программируемых механических системах,
в которых используются шаговые электродвигатели или другие
исполнительные механизмы, является линейное или угловое перемещение
требуемой мощности на выходе ведущего звена или на входе ведомого. При
модульном построении швейных манипуляторов и промышленных
роботов для получения вращательного движения в каждом модуле или
электромеханическом преобразователе энергии обычно используются
исполнительный двигатель и редуктор, а для получения линейного перемещения —
99
исполнительный двигатель, редуктор и механический преобразователь
движения (винт - гайка, тросовая передача и др.).
Линейные асинхронные двигатели (ЛАД)
применяются в конвейерах с адресованием, например типа ПУЛЬСАР и других
устройствах автоматики. Принцип действия ЛАД основан на
использовании эффекта взаимодействия бегущего электромагнитного поля,
создаваемого токами многофазной обмотки индуктора, с вихревыми токами
во вторичном элементе двигателя. Таким образом, в ЛАД магнитное поле
не вращается, как в обычных асинхронных электродвигателях, а его
результирующий вектор перемещается вдоль оси абсцисс (рис. 35, а),
передавая как бы эстафету от одного экстремального значения тока к
следующему (точки 1, 2, 3) в многофазных катушках А, В, С, А1, В1, С'
и т. д. индуктора. Применение ЛАД в технологическом транспорте
позволяет существенно упростить кинематическую схему привода
поступательного движения исполнительного механизма благодаря отсутствию
промежуточных механических передач.
В общем случае линейные электродвигатели и электрические машины
вращательного исполнения могут быть асинхронные, синхронные,
постоянного тока, индукторные, шаговые и др., из которых в
технологическом транспорте наибольшее применение получили ЛАД. ЛАД могут быть
с коротким подвижным индуктором или неподвижным длинным
индуктором, выполняющим роль возбудителя электромагнитного поля и опоры
для подвижного вторичного элемента. По конструктивному исполнению
различают плоские, цилиндрические и дуговые индукторы, а по числу
индукторов ЛАД бывают одноиндукторные и многоиндукторные. В
ПУЛЬСАРе использован подвижной плоский односторонний индуктор
4 (рис. 35, б, в), смонтированный на платформе транспортной тележки
1, которая перемещается на неподвижной эстакаде 9 в виде несущей
балки (швеллера), которая выполняет роль вторичного элемента ЛАД. В
нижней части эстакады расположены троллеи 7, служащие для подвода
питания к индуктору, подвижному вместе с тележкой относительно
эстакады. Внутри эстакады расположены датчики положения рабочих мест
в виде бесконтактных путевых выключателей, служащих для
автоматического останова каретки по требуемому адресу. По обе стороны
эстакады расположены рабочие места, напротив которых установлены
наклонные приемные столики.?.
Индуктор ЛАД представляет собой магнитопровод из
электротехнической стали, в пазах которого уложена многосекционная трехфазная
обмотка возбуждения. Воздушный зазор между индуктором и эстакадой,
равный 3 мм, поддерживается роликами 5 с горизонтальной осью
вращения. В продольном направлении тележка ориентируется боковыми
роликами 6 с вертикальной осью вращения, внутри которых проходят
электрические провода, соединяющие катушки индуктора со щеточным
токосъемом 8.
На тележке смонтирован механизм для автоматической разгрузки
перемещаемых по заданному адресу полуфабрикатов и пачек с деталя-
100 ; ¦ .
Рис. 35. Линейный асинхронный двигатель:
а — принцип формирования бегущего магнитного ноля; б, в — принципиальная схема
и конструкция конвейера типа ПУЛЬСАР-2М
ми кроя при запуске модели в поток. Механизм разгрузки состоит из
конвейера с индивидуальным приводом, лента 2 которого перемещается
в направлении, перпендикулярном направлению перемещения самой
транспортной тележки.
При нажатии кнопки „Вызов" кнопочной станции 10 на пульте
управления загорается сигнальная лампа с заданным адресом (номер рабочего
места). Оператор нажатием кнопки „Отправка" направляет тележку по
этому адресу, которая автоматически останавливается и разгружается
на заданном рабочем месте. Точность останова тележки относительно
рабочего места составляет ± 50 мм. После разгрузки тележки рабочий
нажимает кнопку „Отправка" и отправляет тележку на запуск или
переадресует ее с обработанным полуфабрикатом на другое рабочее место
для выполнения следующей технологической операции.
ЛАД, используемый в транспортной тележке, имеет следующие
электрические и тяговые параметры: напряжение питания 36 В; номинальный
ток нагрузки 62 А, тяговое усилие 315 Н; cos <p = 0,48.
СРЕДСТВА И СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ
ШВЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
г л л в л 5
ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМ
АВТОМАТИЗАЦИИ ШВЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
НА БАЗЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ, МИКРОЭВМ И МИНИ-ЭВМ
§ 1. Основные понятия и классификация средств
вычислительной техники, используемой для автоматизации
оборудования и процессов швейного производства
Микропроцессор — это
программно-управляемое устройство, осуществляющее прием, обработку и выдачу
цифровой информации, построенное на одной или нескольких
интегральных микросхемах. Он может являться частью большой интегральной
схемы (БИС). Различают следующие типы микропроцессорных
комплектов :
микропроцессоры с фиксированной разрядностью слова и с
фиксированной системой команд;
микропроцессорные секции с наращиваемой разрядностью слова и
микропрограммным управлением;
однокристальные микроЭВМ.
В общем случае микропроцессоры являются основным компонентом
микровычислитсля, программируемою микроконтроллера, микроЭВМ и
других микропроцессорных систем. Микровычислитель является ядром
любой микропроцессорной системы. Конструктивно он может быть
выполнен на одном кристалле (БИС); на нескольких БИС и занимать часть
печатной платы; в виде одного модуля или печатной платы; в виде блоков
на нескольких печатных платах. Классификация микропроцессоров и
микроЭВМ, построенных на их основе, приведена на рис. 36.
Микровычислитель — это совокупность центрального процессора
(ЦП) и исполнительной памяти (ОЗУ и ПЗУ), т. е. это микропроцессорное
устройство без внешних устройств „ввода -- вывода". Микровычислитель
и стандартные внешние устройства „ввода — вывода" образуют
законченную микроЭВМ. В микроконтроллере устройствами „ввода — вывода"
являются „датчики - исполнительные механизмы" и „клавишный пульт -
средства индикации", сопрягаемые с микровычислителем с помощью
соответствующих интерфейсов.
Смешанные системы программного обеспечения (ПО) (схема 5) —
это такие системы, которые, будучи резидентными, т. е.
спроектировавшими ПО сами для себя, с точки зрения проектирования ПО для других
систем являются кроссовыми, или работающими в кроссовом режиме.
Например, для программирования микропроцессорных систем на базе
распространенного 8-разрядного микропроцессора КР580 комплекс
АРМ2-05 работает в резидентном режиме, так как этот комплекс построен
103
Управление овьек/поми и Расчеты и управление стан\
процессами(микроконтрал- дартными внешними ист-
леры) ропстбами (fiuxpo38Mj
4-разрядные
КР7803ВС7'
е \
ые)
8-разрядные
Электроника /С1~20
СО-ОЬ
СМ-1800
In -87<*8(США)*
рЬ—. . ^/ \
S^ 76- разряднь/е \
Электроника -60М
Электроника НЦ-80-20
Электроника НЦ-ОЗГ
Электроника Н' МС- 7/700.7
Электроника K1-S0
Электроне/ка С-5 и др.
TMS 9940 (США)'
Быстродействие, /G800 ***
о/пн ed ю, ^589*** .
5
1
0,5
0.7
/<P58<f'
КР583'
-А781О
К7801
К78ОЗ
КР58О
XS87
К588***
К581
8
Разрядность
5
16
32
Рис. 36. Классификация микропроцессорных систем (а) и средств (б) по
функциональному назначению:
1 — микроконтроллеры и однокристальные микроЭВМ; 2 — 8-разрядные
микроконтроллеры и микроЭВМ; 3- микроЭВМ и мини-ЭВМ; 4 - супермикроЭВМ и мини-ЭВМ;
5 - проектируемые сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) ; * -
однокристальные микроЭВМ; ** - супермикроЭВМ; *** - микропроцессорные секции с
наращиваемой разрядностью слова и микропрограммированием
на базе микроЭВМ СМ-1800, центральный процессор которой содержит
БИС типа КР580ИКН0Л, а для других типов микропроцессорных средств
этот комплекс для наладки ПО будет работать в кроссовом режиме. Для
микропроцессорных устройств резидентных систем ПО нет, а для
персональных ЭВМ (ПЭВМ) нет кроссовых систем ПО.
Среди большого многообразия типов микроконтроллеров, микро- и
мини-ЭВМ, применяемых в нашей стране и за рубежом, можно выделить
линию микроЭВМ типа Электроника-бОМ, построенную на базе
16-разрядных микропроцессорных комплектов К588 и др., которая
характеризуется: программной совместимостью с СМ ЭВМ (например, с мини-ЭВМ
типа СМ-4), архитектурой, аналогичной микроЭВМ LSI-11/2 фирмы DEC
(США), с системной шины типа Q-buss (рис. 37), т. е. объединенную
адресную шину и шину данных и отдельную шину управления и системой
команд DEC-16, называемой дековской;
линию микроЭВМ типа СМ-1800, построенную на базе 8-разрядного
микропроцессорного комплекта КР58О с развитием этой линии на базе
16-разрядных микропроцессорных комплектов К1810 (соответственно
зарубежные аналоги 1п-8080Л и In-8086). Особенности этой линии
микроЭВМ заключаются в архитектуре, аналогичной архитектуре микроЭВМ
PDP-11 фирмы DEC, имеющей системную шину тина U-buss (рис. 38)
(т. е. адресная шина, шина данных и шина управления выполнены
раздельно и образуют общую системную шину) и систему команд „Интел-8"
и ,,Интел-16", называемую еще интеловской системой команд.
Дальнейшим развитием линии микроЭВМ PDP-11 явилось создание
32-разрядной сунермикроЭВМ VAX-11 и соответствующего отечественного
аналога, которые по своей вычислительной мощности превосходят
вычислительные комплексы ЭВМ типа ЕС-1045.
Централь
нып про
цессор
Общая 76 разрядная адресная шина и шипи данных
А15...0и S7...O
С
JLJ3E
Адреса
Даннь/е
управления
Управление
\tllUHU
Усгпройст -
За Збеда
во/doda
Адреса >
-Данные
Ь=- Управление
Рис. 37. Структурная схема организации шил микроЭВМ Электроника-60
Раздельные Адресная шина и и?има дан
Центральный
процессор
A1S...0
\
Манные
is
к
' С5~
Память
/ '"¦"¦
/
Шина
управления
1
Л I-/ Р7...0 ~»
Устройства
ввода-выво
да
Шино
U-btsss
Рис. 38. Структурная схема организации шин микроЭВМ СМ-1800
105
Схема 5. Классификация микропроцессорных средств
по программному обеспечению
/ыс комяле/ыь/
ПЗВЛТ
/персональная
АРМ
дяя //роектире
ваяия
АСУ ТЛ
Микропроцессорные устрой
ст'За /МПУ)
Микрелрограм
мируемь/е
(МЛ9)
Немикропрог -
раммируемь/е
mm Требования к работе 0режиме реального бремени fPS) max
-\
MemadoS построения ПО
Комплексы с pesudenmHb/M ПО
min
max,
mm
Комплексы с кроссовь/м лрогрс/ммным обеспечением
V
Смешанные сие темь/ ПО
Наиболее простыми законченными вычислительными
микропроцессорными системами являются микрокалькуляторы, которые бывают
трех типов: простейшие (СЗ-15, БЗ-37, МК-33), инженерные (МК-51, МК-53,
МК-38 и др.), программируемые (МК-52, МК-54, МК-61, МК-64 и др.).
Программируемые микрокалькуляторы отличаются тем, что могут
работать со стандартными и специальными внешними устройствами,
используемыми для работы с микроЭВМ и работающими в комплекте с
микроконтроллерами (датчики и исполнительные механизмы).
Из персональных ЭВМ отечественного производства, рекомендуемых
для практических занятий по дисциготане „Основы информатики и
вычислительной техники" в средней школе, следует отметить следующие модели:
Электроника-85, Электроника МС 0511.01, ЕС-1840, БК-0010 и др. Для
управления технологическими процессами и машинами швейного
производства можно рекомендовать использование программируемых
микрокалькуляторов в следующих случаях:
для автоматизации контроля или управления различными несложными
и тихоходными производственными процессами и машинами;
для автоматизации решения научно-технических, статистических,
инженерных и других задач, требующих программирования;
в качестве цифрового измерительного прибора.
Программируемые микроконтроллеры и микрокалькуляторы могут
изготовляться на основе микроконтроллерной серии К145 и других
микропроцессорных комплектов (см. рис. 36).
106
Мини-ЭВМ отличаются от микроЭВМ большей разрядностью слова, а
значит, и большим объемом оперативной памяти (ОЗУ). Кроме того,
мини-ЭВМ содержат более развитую систему периферийных устройств, на
базе которых строятся различные специализированные вычислительные
системы, включая автоматизированные рабочие места (АРМ). С развитием
БИС и СБИС различия между микро- и мини-ЭВМ все более стираются.
Таким образом, можно сделать следующие два основных вывода:
1. Программируемые микроконтроллеры, микро- и мини-ЭВМ — это
средства вычислительной техники, которые могут программно и
информационно встраиваться одно в другое, образуя различные уровни
иерархии системы малых ЭВМ (СМ ЭВМ), что отличает их от базового ряда
единой системы ЭВМ (ЕС ЭВМ) .
2. Кроме традиционной области использования микропроцессоров в
вычислительной технике ускоренно развивается другая широкая область
применения микропроцессоров в специализированных гибко
программируемых устройствах: программируемых микроконтроллерах для
автоматического управления технологическим оборудованием и процессами,
промышленными роботами и манипуляторами; аналоговых и цифровых
измерительных приборах; внешних терминальных устройствах ЭВМ;
специализированных внешних устройствах автоматизированных рабочих
мест (АРМ) проектировщиков и др.
Общий вид управляющего вычислительного комплекса СМ-1800 на
базе микроЭВМ СМ-1803 приведен на рис. 39, где приняты следующие
обозначения: 1 — печатающее алфавитно-цифровое устройство типа М-180
(ПНР) или АРО-1156 (ГДР); 2 - алфавитно-цифровой видеотерминал
типа СМ-1800.7201; 3 — устройство внешней памяти на гибких магнитных
дисках типа СМ-1800.5602; 4 — перфоленточное устройство „ввода —
вывода" типа СМ-1800.6204; 5 — модуль центрального процессора
встраиваемой базовой микроЭВМ СМ-1803 типа СМ-1800.2201; 6 - тумба; 7-
стойка; 8 — стол.
§ 2. Устройство и принцип работы микроЭВМ
Сложность изучения принципа
работы микроЭВМ как основы для правильной и надежной эксплуатации
встроенных микропроцессорных систем управления технологическим
оборудованием и других специализированных устройств связана с тем, что
необходимо одновременно представлять, как происходит восприятие,
запоминание, переработка и вывод информации или управляющих сигналов.
Для этого нужно понимать, как осуществляется хранение информации
и доступ к ней со стороны процессора, как преобразуются форматы данных
и происходит управление внешними устройствами, как осуществляется
обмен информации между процессором и памятью, между процессором
и внешними устройствами? Для этого необходимо знать: структуру и
архитектуру микровычислителя и устройство микропроцессора, формат
данных и команд, технологию выполнения команд (командный цикл,
типы машинных циклов, последовательность тактов, временные диаграм-
107
\
\
\ 1
\
\
2
\
1
! )
6
S
\
J
\
\
\
0U
•^ стол
ал
ч^ 1
\
сшвоэ
ч
Рис. 39. Общий вид управляющего вычислительного комплекса СМ-1800 на базе
микроЭВМ СМ-1803 с модулем центрального процессора, встроенным в тумбу (а)
и стойку (б)
мы выполняемых команд), управление различными режимами работы
микропроцессора, интерфейс центрального процессора и его возможные
структурные модификации, организацию оперативной и постоянной
памяти, основы построения и работы интерфейса внешних устройств, основы
программного обеспечения.
Увидеть визуально, как происходит восприятие, переработка и
хранение информации в микровычислителе, который является ядром любой
микроЭВМ и программируемых микроконтроллеров, не представляется^
возможным, но можно оценить выполняемые функции центрального
процессора, памяти, интерфейса, наблюдая за работой внешних устройств.
К ним относятся датчики, исполнительные механизмы, устройства отобра-
108
жения информации и правильности отработки ими соответствующих
контрольных тестов, задаваемых с пульта управления.
Изучение принципа работы микроЭВМ широким кругом
пользователей упростилось, если бы человек мог одновременно из различных
разделов и глав технической литературы, посвященной изучению программных
и аппаратных средств микроЭВМ, считывать, запоминать и оценивать
информацию, т. е. выполнять параллельное чтение и усвоение материала.
Однако такими способностями человек не владеет и выход из такого
положения обусловлен умением человеческого мозга последовательно
считывать информацию с книги, запоминать главное, затем
„распараллеливать" эту информацию и оценивать ее. Информация усваивается каждым
человеком по различным алгоритмам функционирования памяти и в
зависимости от его индивидуальных психологических возможностей.
Аналогичная проблема возникает при высказывании человеком
информации о работе микроЭВМ, так как он не может высказывать
информацию одновременно за несколько человек. Пока человеком
рассматривается принцип работы одного компонента структуры; другой компонент
уже много тысяч раз обработает цифровую информацию, поэтому
необходимо мысленно заставлять работать микроЭВМ в режиме реального
времени ее изучения или объяснения принципа работы типовых структур,
команд и режимов. Кроме того, удобно использовать язык временных
диаграмм, т. е. токов, напряжений или электрических потенциалов,
действующих на входах, выходах и шинах в данный момент времени при
выполнении машинного цикла в командном цикле определенной команды
программы, рассматривая при этом процесс по машинным тактам. Часто
используют популяризацию изучаемых процессов методами аналогий,
встречаемых человеком в повседневной практической деятельности.
Рассмотрим основные положения упрощенной интерпретации
принципа работы микроЭВМ методом аналогий при замедленном характере:
1. Во всех микроЭВМ и других средствах вычислительной техники,
содержащих центральный процессор, выполненный на микропроцессоре,
восприятие, хранение и переработка информации имеют статический
характер, но с малым временем выдержки, т. е. на входах и выходах
элементов и структур, адресной шине, шине данных и шине управления
кратковременно действуют электрические потенциалы высокого и
низкого уровней, соответствующие „1" и „О" битов информации, а
переработка порций информации (байтов) осуществляется дискретно. Так как
ЭВМ имеет высокое быстродействие обработки информации, то теряется
физический смысл дискретности работы микроЭВМ и появляются
кажущаяся динамичность и непрерывность обработки информации и работы
ЭВМ.
2. В простейшем случае принцип работы микропроцессора можно
представить как „черный ящик", на входах которого подключено п
коммутирующих контактов (замыкающих и размыкающих), входящих в
различные комбинации логических схем и управляющих определенными
объектами 02, подключенными на выходе. Аналогично на выходе имеется
109
-ф-
а?
{¦О
П
П
1
K579PP5
H155/IA3
KM155M
ГТБ1
К2ЭЗЛП1
К293АП1
К293ЛП1
|К293ЛЛ1
KP580BH59
КР580ИК55
КР580ИК55
-0- «-.I
1 Щ1
ГОШТТТТГГП я и м
СНПЗЧС-6ЭР-3
320 мм
Разъемы
Рис. 40. Конструкция программируемого микроконтроллера Электроника МС 2702
т коммутирующих контактов, вынолненных в виде тумблеров, которыми
выполняется управление объектами 01 на входах „черного ящика".
3. Всякое включение, выключение или переключение объектов 02. на
выходах и 01 на входах осуществляется в определенном порядке и
запоминается. Для этого переключения контактов (тумблеров) на входах и
выходах происходят по определенным законам (алгоритмам)
функционирования, реализующим программу в определенной обработке команд, хра
ПО
(Kl -20) на 8-разрядпом микропроцессорном комплекте БИС серии КР58О
нящихся в памяти, как в той, которая находится внутри „черного ящика'"
(регистровая сверхоперативная память небольшой емкости собственно
самого микропроцессора), так и во внешней по отношению к
микропроцессору, выполненной в виде ОЗУ и ПЗУ.
4. Если с большой частотой выполнять манипуляции с тумблерами
по заданной программе, то этим можно имитировать работу
микропроцессора или микроЭВМ. Понятно, что в режиме реального быстродействия
111
Разъем последовательного
Вйода-вывода
Кварцевый
резонатор
Рис. 41. Конструкция одноплатной микроЭВМ Электроника Н.МС.11100.1 на 16-раз-
Разъем параллельного
ввода -бы&ада и НГМД
с:
К155ТМ2
с;
см
С:
D л О
О 0 О
D D
D ?
О D
О D
D D
D С
? D
а с
Q E) D
а w о
"\
ГО
1
С:
СМ
err
it
I
ас
Контроллер
, радиального
П параллельного
интерфейса
Контроллер
НГМД
._,...__ Контроллер
Х~/ радиального
7 последователь-
нога
интерфейса
ПЗУ
пользователя
Системное
ПЗУ
ЦК* 16
-» Разъемы
рядном микропроцессорном комплекте БИС серии К1801
работы ЭВМ человек не может вручную манипулировать и воспроизводить
ее работы, для чего понадобилось бы тумблеры переключать вручную с
частотой от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов раз в
секунду.
5. МикроЭВМ превращается в программируемый микроконтроллер,
если объектами 01 будут датчики с дискретным или цифровым сигналом,
подаваемым на вход системы управления, а объектами 02 -
электромеханические или электромагнитные исполнительные механизмы или
исполнительные механизмы на основе пневмо- или гидропривода, управляемые
электрическими устройствами (электромагнитными клапанами).
Для простейшей микроЭВМ (персонального компьютера)
обязательными встроенными внешними устройствами являются: объект 01 —
модуль клавишного пульта с клавиатурой и контроллером клавиатуры,
служащих для ввода цифр 0—9 (ввода данных) и букв латинского, а иногда
и русского алфавита (ввод команд и программ), а также клавиш
специального назначения для управления информацией, вводимой,
обрабатываемой или (и) хранимой в микроЭВМ, для ее передачи, контроля,
тестирования, размещения и редактирования; объект 02 - модуль отображения
информации на экране дисплея или индикаторе (жидкокристаллическом
или катодолюминесцентном).
Модуль клавишного пульта и модуль дисплея программно и
электрически взаимодействуют с микропроцессором посредством своих
контроллеров: соответственно контроллера клавиатуры и контроллера дисплея
(индикатора), имеющих общее наименование — контроллер
программируемого параллельного интерфейса, например, БИС типа КР58ОИК55 (рис.
40) или специализированная БИС типа КР580ВВ79 (на рис. 40 не
показана) - программируемый контроллер клавиатуры и индикации для
8-разрядных микроЭВМ. Для 16-разрядной микроЭВМ (рис. 41)
программируемый параллельный интерфейс выполнен на БИС тина КР1801 ВП1.
Назначение других БИС микроЭВМ (см. рис 41) следующее: КР58ОИК51 -
контроллер синхронно-асинхронного интерфейса; КР580ВИ53 —
многорежимный таймер; КР580ВН59 — контроллер прерываний; К589АП26 —
4-разрядный шинный формирователь (инвертирующий); К565РУ2 —
статическое оперативное запоминающее устройство емкостью 1024 бита;
К565РУЗ - динамическое ОЗУ емкостью 16384 бита; К155 и К293 -
интегральные схемы малой степени интеграции.
В упрощенном виде принцип работы микроЭВМ можно представить
так. При нажатии любой клавиши на пульте соответствующий ей условный
код в виде набора нулей и единиц записывается в ячейку памяти
контроллера клавиатуры, который циклически опрашивается микропроцессором.
Такты машинных циклов задает генератор тактовых импульсов,
выполненный, например, на БИС типа К580ГФ24 (см. рис. 40) и работающий
совместно с кварцевым резонатором. Опрос выполняется по алгоритму
программы анализа нажатия клавиши для исключения ложного ввода
другой информации от микродребезга клавиш при их нажатии ~~
отпускании. Затем микропроцессор (БИС типа КР580ИК80А) обращается к ПЗУ
114
(БИС типа К579РФ5), где хранится следующая, заранее записанная с
помощью программатора, информация, необходимая для работы микроЭВМ:
коды клавиш и операций пульта; графика информации, выводимой на
дисплей; микропрограммы и другое внутреннее программное
обеспечение общего и специального назначения. Микропроцессор находит в ПЗУ
стандартный код, соответствующий коду нажатой клавиши, и временно
его запоминает, дожидаясь следующей команды. Почти одновременно
микропроцессор выводит на контроллер дисплея код нажатой клавиши.
Этот контроллер формирует требуемое изображение на экране. Аналогично
поступает микропроцессор с информацией, выдаваемой нажатой клавишей,
т. е. при последовательном введении данных и команд в соответствии с
реализуемым алгоритмом простых арифметических вычислений. Такое
упрощение, естественно, существенно отличается от реального принципа
работы микроЭВМ, фрагменты которого рассмотрены на конкретных
типах БИС 8-разрядного микропроцессора и БИС параллельного
интерфейса.
Таким образом, микропроцессор в микроЭВМ или в
микроконтроллере выполняет следующие основные функции:
обрабатывает данные, вводимые с клавиатуры пульта или
поступающие от датчиков и других внешних устройств;
выбирает команды из памяти, дешифрует их и выполняет;
вырабатывает временные интервалы и сигналы управления;
передает данные в память и из памяти, принимает данные с портов
ввода и выдает данные на порты вывода устройств „ввода - вывода";
выполняет арифметические и логические операции и идентифицирует
(присваивает и расшифровывает коды) внешние сигналы.
Более конкретизированными функциями, выполняемыми
центральным процессором в течение каждого цикла команды, являются:
помещение адреса команды в адресную шину памяти;
получение команды из шины ввода данных и ее дешифровка; >
выбор адреса и данных, содержащихся в команде, причем адреса и
данные могут находиться в регистровой памяти микропроцессора или
внешней по отношению к микропроцессору памяти;
выполнение операции, определенной в коде команды, причем кодом
операции может быть арифметическая или логическая функция, передача
данных или функция управления;
слежение за управляющими сигналами, такими, как прерывание, и
реагирование на них соответствующим образом;
генерирование сигналов состояния, управления и времени, которые
необходимы для нормальной работы устройств „ввода - вывода" и памяти.
Центральный процессор, ядром которого является микропроцессор
или, точнее, БИС микропроцессора, является „мозгом", определяющим
работу микроЭВМ или, в общем случае, ЭВМ, а также работу
программируемого встраиваемого в технологическое оборудование микроконтроллера.
Для более глубокого осмысления и изучения основ построения и
работы типовых структур и конструкций одноплатных микроконтроллеров
115
(см. рис. 40) и микроЭВМ (см. рис. 41) необходимо изучить структуру
и систему команд конкретного микропроцессора и БИС одной серии
(семейства, комплекта), входящих в состав одного базового ряда.
Рассмотрим это на конкретных примерах устройства и принципа работы
широко распространенного в нашей стране и за рубежом микропроцессора
типа КР580ИК80А и особенностей построения и работы БИС
программируемого интерфейса типа КР58ОИК55, которые служат основой при
проектировании 8-разрядных программируемых микроконтроллеров микроЭВМ.
§ 3. Микропроцессор КР580Ж80А
Микропроцессор КР580ИК80А
конструктивно выполнен в виде интегральной микросхемы (БИС)
одноименного обозначения и представляет собой микропроцессор с фиксированной
системой команд, предназначенных для работы с байтовой организацией
памяти. Микропроцессор имеет 16-разрядный канал передачи адресов и
8-разрядный канал данных. Канал адресов обеспечивает адресацию памяти
объемом до 65536 байтов (округленно 64 Кбайта), адресацию 256
устройств ввода и 256 устройств вывода.
Микропроцессор содержит регистровое ОЗУ (блок регистров), которое
является программно-доступным. Имеющиеся средства обслуживания
8-уровневого запроса прерываний позволяют микропроцессору
осуществлять обмен с внешними устройствами любого быстродействия.
Микросхема выполнена в пластмассовом корпусе с 40 выводами (рис. 42).
Структура микропроцессора. Микропроцессор КР580ИК80А
реализован на основе общей внутренней шины данных и включает в себя
следующие функциональные узлы (рис. 43): блок 4 регистров с адресной
логикой, блок 3 арифметико-логического устройства, двунаправленную
буферизованную шину 5 данных, блок 1 управления и синхронизации.
10
i,
-f
1L
it
12
RA№
НОШ
INT
и
RESET
CPU
АО
A1
Al
A3
АЧ-
A5
AS
fs
A9
AM
АИ
A12
A13
№
A15
HLDA
INTE
SBIN
Ш <
SYNC
WAIT
21
Синхро- "
импульсы
Начальная
установка
Запросы:
готовности-
захвата шин~
прерыбания /~
F1
п
RESFT
REAVY
HOLS
INT
A15...0
S7...0
DB1N
HLBA
INTE
SINC
76-разрядная
адресная шина
О в-разрядная
шина данных
Прием данных
дыдача данных
- Ожидание
Подтверждение
захвата
Разрешение
прерывания
Синхроимпульс
начала
машинного цикла
Рис. 42. Микропроцессор КР58ОИК8ОА:
а - цоколевка и условные обозначения выводов
микросхемы; б - назначение выводов; CPU - центральное
процессорное устройство
116
F1
F2
RESET
REAVY
HOLD
INT
^
-*
1 -
—*•
2^
Блок
управления
и
синхронизации
<
Ж
¦*DB1N
•*¦ WR
+ WA1T
¦*HLBA
+ INTE
¦**SINC
w{8)
в (8)
ш)
Z{8)
CIS)
Е(в)
L(8)
SPU6)
PC
161
бра ; спи
-64-
M5...0
D7...0
Рис. 43. Функциональная схема
микропроцессора КР58ОИК8ОА
Блок 4 регистров
предназначен для оперативного
хранения информации,
участвующей в процессе
выполнения программы. Он образует
статическую память с
произвольным доступом,
организованную в виде шести 16-
битовых регистров. Из них
три регистра могут
использоваться как шесть отдельных
8-битовых
программно-доступных регистров В, С,
D, E, H, L общего
назначения для хранения
операндов или как три 16-битовые
программно-доступные
регистровые пары ВС, DE, IIL для хранения адресов или 2-байтовых
операндов. При выполнении арифметических и логических бинарных операций с
регистровой адресацией в регистрах В, С, D, E, H, L хранятся 8-разрядные
операнды, которые передаются в блок АЛУ для участия в операции. Второй
операнд и результат операции сохраняют в блоке АЛУ. При выполнении
операции приращения (уменьшения) регистры используются в качестве
источников данных и приемников результата операции.
Пары регистров ВС, DE, HL обычно используются в качестве
регистров-указателей косвенной адресации при выполнении арифметических,
логических и пересылочных операций. При этом основным регистром-
указателем является пара HL. Исключение составляет операция сложения
2-байтовых слов, при выполнении которой пары ВС, DE, IIL используются
для хранения 16-разрядных операндов. При этом содержимое любой пары
побайтово суммируется в блоке АЛУ с содержимым нары HL, результат
записывается в HL.
Содержимое каждого из регистров может быть переслано в блок АЛУ
или в память через 8-битовые мультиплексоры МП и внутреннюю шину
2 данных. Выбор регистра, участвующего в операции, осуществляется
схемой выбора регистра. Аналогично происходит загрузка регистров.
Содержимое каждой пары регистров может быть увеличено или
уменьшено на единицу с помощью адресной логики.
Регистр4 PC используется в качестве программного счетчика и хранит
адрес текущей команды программы. Его содержимое автоматически
увеличивается после выборки каждого байта команды схемой адресной
логики. Загрузка и выдача содержимого PC осуществляется побайтово через
мультиплексоры МП и внутреннюю шину данных.
117
Указатель стека SP хранит адрес ячейки области памяти, отведенной
под стек, к которой было последнее обращение. Содержимое указателя
стека уменьшается на „1" перед каждым занесением слова в стек или
увеличивается на „1" после каждого извлечения слова из стека с помощью
адресной логики. Указатель загружается с внутренней шины данных через
мультиплексор МП Содержимое $Р может быть прибавлено к
содержимому HL, для чего имеется возможность побайтовой пересылки
содержимого SP через мультиплексоры МП на внутреннюю шину данных.
Пара регистров WZ используется для временного хранения второго
и третьего байтов команд перехода, передаваемых с внутренней шины
данных в программный счетчик.
Адресная логика предназначена для хранения программного изменения
и выдачи на адресную шину данных и команд. Она содержит буферный
регистр адреса БРА, логическую схему приращения - уменьшения СПУ
и адресный буфер БА. Буферный регистр адреса принимает и хранит адрес
с любого 16-битового регистра. Его выход связан со входами схемы
приращения - уменьшения и адресного буфера.
Схема приращения - уменьшения представляет собой схему быстрого
переноса — заема; с ее помощью содержимое буферного регистра адреса
может быть передано с изменением на „+1", „—1"или без изменения через
16-разрядный мультиплексор на вход любого 16-битового регистра ВС,
DE,HL,SPvamPC.
Адресный буфер представляет собой 16 выходных формирователей
с тремя состояниями и предназначен для выдачи адреса на выводы адресной
шины А]5 ... 0. Наличие третьего (отключающего) состояния позволяет
непосредственно подключить микропроцессор к общей системной адресной
шине микроЭВМ.
Блок арифметико-логического устройства АЛУ предназначен для
выполнения арифметических и логических операций над числами в
параллельном 8-разрядном двоичном коде. Информация обрабатывается в АЛУ
с использованием регистров ВР (временный регистр), В А (временный
аккумулятор), А (аккумулятор) и F (регистр признаков). При
выполнении бинарных операций один из операндов пересылается из аккумулятора
в регистр ВА; второй операнд поступает из памяти или из блока регистров
через внутреннюю шину данных в регистр ВР, а затем передается в АЛУ
через кодопреобразователь в прямом или в обратном кодах в
зависимости от выполняемой операции. Результат операции передается через
внутреннюю шину в аккумулятор или в регистр общего назначения, а
признаки результата записываются в регистр признаков F. Обмен содержимого
аккумулятора и регистра признаков с памятью или блоком регистров
осуществляется также через внутреннюю шину данных.
Схема десятичной коррекции (СДК) предназначена для
преобразования двоично-кодированного результата в двоично-десятичный код при
обработке двоично-десятичных чисел.
Двунаправленная шина данных D7 ... О служит для организации
взаимосвязи между отдельными блоками микропроцессора, а также связи
118
микропроцессора с другими микросхемами в микроЭВМ. Она включает
в себя внутреннюю шину данных, буфер шины данных БШД и соединена с
выводами шины данных D7... О процессора. Буфер шины данных
(8-разрядный двунаправленный с тремя состояниями) предназначен для изоляции
внутренней шины данных от внешней. Он состоит из буферного регистра
данных и формирователей. В режиме вывода информация с внутренней шины
данных загружается в буферный регистр, а затем передается на внешнюю
шину данных через формирователи. При вводе данные из внешней шины
данных через формирователи непосредственно передаются на внутреннюю
шину данных. Буферный регистр данных при этом отключается. Он также
отключается при выполнении операций, не связанных с передачей
информации процессора.
Блок 1 управления и синхронизации предназначен для приема и
хранения команд синхронизирующих и управляющих внешних сигналов,
а также для формирования внутренних сигналов микроопераций и
внешних синхронизирующих и управляюищх сигналов. Он содержит регистр
команд РК, дешифратор команд ДШК, схемы формирования машинных
циклов и др. Регистр команд хранит байт кода операции, поступающий
с внутренней шины данных. Его содержимое после дешифрации и
синхронизации используется для формирования сигналов внутреннего управления
блоком регистров, арифметико-логическим устройством АДУ с регистрами
и буфером данных, которые реализуют микропрограммы выполнения
команд. Прием и выдача синхронизирующих и управляющих сигналов
(импульсов) осуществляются через выводы микропроцессора.
Выводы синхронизации: Fl, F2 (Ф1, Ф2)* — входы двух
неперекрывающихся синхроимпульсов; SINC (С) — выход сигнала
синхронизации, определяющего начало каждого машинного цикла команды
(используется для идентификации действий, выполненных в микропроцессоре);
RESET (УСТ) — вход сигнала начальной установки процессора (после
окончания сигнала, длительность которого должна быть не менее трех периодов
синхросигналов, программный счетчик PC устанавливается в нулевое
состояние и процессор начинает выполнять программу с нулевого адреса).
Управление ожиданием: READY (ГТ) - вход сигнала готовности,
указывающего, готово (READY-1) или нет (READY-0) внешнее
устройство к обмену (позволяет синхронизировать обмен информацией с
внешними устройствами или с памятью более низкого быстродействия). Может
также использоваться для организации пошагового, командного или с
остановом по требуемому адресу режимов работы микропроцессора.
WAIT (ЖД) — выход сигнала, указывающего, что процессор находится
в состоянии ожидания.
Управление памятью: WR {БД — выход сигнала управления записью
в память или во внешнее устройство; низкий активный уровень сигнала
указывает, что микропроцессор выдал данные на шину D7. . . 0.
* В скобках приведено отечественное сокращенное обозначение, а без
скобок - международное.
Управление шиной данных: DBIN (ПМ) выход сигнала,
указывающего, что шина данных находится в режиме приема. Используется для
управления чтением данных из памяти или из внешних устройств.
Управление прерываниями: INT (ЗПР) — вход сигнала запроса
прерывания (/ЛТ-1), поступающего от внешних устройств,
запрашивающих обмен с микропроцессором в режиме прерывания; 1NTE (РПР) —
выход сигнала разрешения прерывания (INTE-1), указывающего, что
процессор готов к обмену в режиме прерывания и может принять запрос
прерывания. Используется для управления цепями формирования
сигналов запроса прерывания. Если процессор готов к обмену в режиме
прерывания, на выходе устанавливается сигнал высокого уровня и процессор
может принять запрос прерывания. После перехода к обслуживанию
прерывания на выходе INTE устанавливается сигнал низкого уровня и запросы
прерывания не воспринимаются. Способность восприятия процессором
последующих запросов достигается программным путем.
Управление захватом шин в режиме ПДП (прямого доступа
к памяти): HOLD (ЗХ) — вход сигнала запроса захвата шин D7 .. . 0 и
А15 . .. О внешними устройствами. Предназначен для управления в режиме
ПДП. Под действием сигнала HOLD процессор переходит в состояние
захвата, в котором шина данных и адресная шина находятся в третьем
(отключенном) состоянии, благодаря чему системная шина может использоваться
внешними устройствами; HLDA (ПЗХ).— выход сигнала подтверждения
захвата, указывающего, что процессор находится в состоянии захвата.
Шины данных и адреса процессора при этом отключены от выходов.
Для построения центрального процессора ЦП программируемого
микроконтроллера или микроЭВМ на БИС микропроцессора КР580ИК80А
требуются внешние цепи формирования сигналов синхронизации и
сопряжения с системной шиной. Структура ЦП приведена на рис. 44, где приняты
обозначения: ФАШ — формирователи адресной шины и ФШД —
формирователи шины данных. ФАШ и ФШД называются еще шинными
формирователями и предназначены для согласования шин ЦП с нагрузкой —
адресными и информационными цепями модулей памяти и ввода — вывода.
Адресная шина А15 ... О микропроцессора имеет следующие
электрические параметры: напряжение логического нуля 0,45 В; напряжение
логической единицы 3,7 В; ток нагрузки 1,9 мА.
Шина данных Д7 .. . 0 микропроцессора характеризуется двумя
параметрами: минимальным уровнем напряжения входного сигнала (не
менее 3,3 В) и максимальной нагрузочной способностью (входной ток
не более 1,7 мА). Исходя из этих и требуемых для системы параметров
выбирают тип шинного формирователя, которым может быть
интегральная схема типа К589АП16, К589АП26 или КР580ВА89 или др.
Для расширения функциональных возможностей ЦП в его структуру
включают:
внутреннее (резидентное) ПЗУ, предназначенное для хранения части
программного обеспечения, например, программы Монитор, ядра
операционной системы (ОС) и др.;
120
Кварц I
Системный
запрос
Запрос готовности
Схема
синхронизации
F2Tl
Запрос захвата шин -
Запрос прерывания -
RESET
READY
HOLD
/Л/Т
Л15...0
D7...0
V—N
г/
D8IN
Ш <!
/А/ГС
HLDA
Sf/VC
Форм up о
вате/гь
Формиро
ватель
ШД
DO
D7...0 D1
Регистр
ния
PS
D6
D7
f/f/PC
ЛИ.
ПОСТ
вшом
М1
ввод
УТЛ
К адресной шине(А15...О)
К шине <?анных@7... 0)
Разрешение шин/РШ)
Разрешение прерыбания(РПР)
¦ Подтверждение захвати
шин (пзх)
Подтверждение
прерывания !//ПРЕ,
Схема t
формирования
иоержо
1//ПРЕ)
-Чтение памяти (ЧТ/1)
Управле- \^и1гМШуе ввода -вывода
(VTBB)
^Запись ввода-вывода
(ЗЛВВ)
Рис. 44. Типовая структура центрального процессора микроконтроллера или микроЭВМ на микропроцессоре КР580ИК80А
внутреннее (резидентное) ОЗУ, предназначенное для расширения
рабочей памяти процессора;
средства обработки запросов шины (арбитр шины); •
средства приоритетной обработки запросов прерываний;
средства формирования времязадающих сигналов.
Выполнение команд. Формат представления команд зависит от типа
команды и используемого способа адресации. Для обеспечения гибкости
кодирования вычислительного процесса используются одно-, двух- и
трехбайтовые команды, называемые еще многобайтовыми командами,
которые хранятся в соседних ячейках памяти и адресуются по первому байту.
Формат команды определяется кодом операции. В коде операции (всегда
первый байт команды) задается указание используемого в команде
способа адресации. Таким образом, разрядность однобайтовых команд равна
8, двухбайтовых — 16 и трехбайтовых команд 24 разрядами.
В микропроцессоре КР580ИК80А используется фиксированная
система 78 команд, которые могут быть разбиты на три группы:
команды пересылки, служащие для передачи байтов данных из
регистра в регистр или из памяти в регистр и из регистра в память;
команды арифметических и логических операций, включая команды
условных и безусловных переходов, вызова подпрограмм и возврата
из них;
команды управления, ввода — вывода и работы со стеком для
управления прерыванием и флаговым регистром Z, ввода и вывода
информации и выполнения команд перехода.
Мнемоническое обозначение команд, состоящее из заглавных букв,
обозначающих сокращенное название команды на английском языке, и
соответствующие им коды в шестнадцатиричной системе счисления
приведены в любой справочной или учебной литературе по основам
программирования для микропроцессора КР58ОИК8ОА. Эта система команд
известна еще под названием система команд ИНТЕЛ-8. Рассмотрим
мнемоническое обозначение, код и формат часто встречающихся команд
ввода — вывода:
команда ввода обозначается IN/N (IN — ввод, N — номер порта
ввода); этой команде соответствует шестнадцатиричный код DB, т. е. 13,6 -
номер строки и 1116 — номер столбика таблицы кодов команд, что
соответствует в двоично-десятичном коде байту информации 11011011,
вторым байтом команды указывается номер порта ввода;
команда вывода обозначается OVT/N (OVT вывод, /V — номер порта
вывода); этой команде соответствует по аналогии шестнадцатиричный
код D3, т. е. 1316 и 316в десятичной системе счисления, что соответствует
в двоично-десятичной системе записи байта информации 11010011, вторым
байтом команды указывается номер порта вывода.
Аналогично можно сделать перевод кодов для любой из 78 команд
микропроцессора КР580ИК80А.
Каждая команда в микропроцессоре выполняется в течение
командного цикла, состоящего из цикла выборки команды и цикла ее иснол-
122
нения. Так как форматы команд могут быть различными, длительность
цикла выборки команды различная и зависит от числа извлекаемых байтов
команды. Командный цикл состоит из машинных циклов. Интервал
времени, в течение которого выполняется одно обращение процессора к
памяти или к внешнему устройству, называется машинным циклом,
которых может быть 10 типов: ВЫБОРКА, ЧТЕНИЕ ПАМЯТИ, ЗАПИСЬ В
ПАМЯТЬ, ЧТЕНИЕ СТЕКА, ЗАПИСЬ В СТЕК, ВВОД, ВЫВОД, ПРЕРЫВАНИЕ,
ОСТАНОВ, ПРЕРЫВАНИЕ ПРИ ОСТАНОВЕ. В каждой команде машинные
циклы появляются в той или иной последовательности, но первым
машинным циклом всегда является цикл ВЫБОРКА.
Машинные циклы в свою очередь состоят из машинных тактов Г,
число которых в одном машинном цикле может быть 1—5. В течение
каждого машинного такта выполняется элементарное действие
(микрооперация) в процессоре. Длительность такта задается периодом
синхроимпульсов и определяется интервалом времени между двумя фронтами двух
соседних импульсов последовательности, формируемой внешними
цепями.
Для синхронизации работы процессора с памятью и внешними
устройствами, имеющими меньшее быстродействие, чем быстродействие
центрального процессора, для организации работы в режиме прямого доступа к
памяти и останова процессора предусмотрено три специальных состояния:
ОЖИДАНИЕ, ЗАХВАТ, ОСТАНОВ, длительность которых всегда кратна
такту.
Таким образом, командный цикл микропроцессора КР58ОИК8ОА
состоит из машинных циклов М, а каждый машинный цикл — из
определенного числа машинных тактов Т.
На рис. 45 показана временная диаграмма типового машинного цикла
микропроцессора МЦ.
В каждом машинном цикле выполняется обращение к памяти, поэтому
в первом машинном такте 77 на адресную шину А15 ... 0 выдается адрес
ячейки ЗУ, в которой хранится команда программ с программного
счетчика PC (см. рис. 44) или указателя адреса. Одновременно на шину данных
D7 ... 0 (см. рис. 45) выдается байт состояния БС и формируется сигнал
на выходе SYNC. Это происходит после подачи на вывод RESET (см. рис.
43) сигнала напряжением высокого уровня, длительностью не менее трех
периодов тактовой частоты, при этом МП устанавливается в исходное
состояние.
В машинном такте Т2 (см. рис. 45) МП анализирует уровень
напряжения входного сигнала READY и сигнала HLDA. Если память или внешнее
устройство не готовы к обмену (READY-0), поступил запрос прямого
доступа к памяти ПДП (HOLD-1) или выполняется команда останова (см.
рис. 42, б), то обмен данными осуществляться не может и МП переходит
в состояние ОЖИДАНИЕ, ЗАХВАТ или ОСТАНОВ, при этом в процессоре
выполняются такты ожидания Тож, число которых определяется внешними
признаками. Кроме того, содержимое программного счетчика PC (см.
рис. 44) увеличивается на единицу для адресации следующего байта.
123
№IN
WR
Действия
(микрооперации')
no тактам
процессора
А15...0;
Адрес ЗУ;
Номер ВУ;
D7...0;
Байт
состояния
Анализ
состояния:
готовность;
захват;
останов
Останов
или
хронизация с
памятью
Выборка
данных,
команд
или запись
данных
Выполнение
команды
Рис, 45. Временная диаграмма типового машинного цикла
Если условие перехода в одно из указанных состояний не выполняется
или под действием внешних сигналов осуществляется выход из состояния
ожидания, то МП переходит к машинному такту ТЗ (см. рис. 45), в
котором в зависимости от типа машинного цикла происходит обращение к
памяти, стеку или устройству ввода - вывода. В результате в МП вводится
или из него выводится через шину данных байт команды, адреса или
данные. При этом на выводах WR или DB1N формируются соответствующие
управляющие сигналы.
В течение тактов Т4 и Т5 выполняются внутренние операции МП без
анализа внешних управляющих сигналов. В конце машинного цикла МП
анализирует уровень напряжения сигнала HOLD (ЗАХВАТ). При низком
уровне проверяется, окончено ли выполнение команды, и если команда
не закончена, то МП выполняет следующий машинный цикл, начиная с
такта 77. Если уровень напряжения сигнала INT в конце команды
высокий и прерывание разрешено, то МП выполняет машинный цикл
ПРЕРЫВАНИЕ, начиная с такта 77.
Каждый машинный цикл идентифицируется, т. е. обозначается и
подтверждается в системе байтом состояния БС1-БС10 (табл. 4), который
выдается на шину данных D7... О кратковременно в течение периода син-
124
Табл. 4. Идентификация машинных циклов и байты состояния микропроцессора при обработке основных машинных циклов
Разряд
шины
данных
0-й
1-й
Сигнал состояния
на выходе регистра
состояния
(см. рис. 44)
Подтверждение
прерывания
(ППРЕ)
Запись — вывод
(ЗВ)
Описание уровней сигналов
состояния
ППРЕ указывает, что процессор
готов вести обработку запроса
прерывания
ЗВ-0 указывает, что выполняются
циклы ЗАПИСЬ В ПАМЯТЬ или
Тип машинного цикла
Ml
ВЫБОРКА
БС1
0
1
М2/МЗ
НИЕ/ЗАПИСЬ
ПАМЯТИ
БС2/БСЗ
0/0
1/0
М4/М5
НИЕ/ЗАПИСЬ
СТЕКА
БС4/БС5
0/0
1/0
М6/М7
ввод/
вывод
БС6/БС7
о/о
1/0
М8
ПРЕРЫВАНИЕ
БС8
1
1
М9
ОСТАНОВ
БС9
0
1
М10
ПРЕРЫВАНИЕ
ПРИ
ОСТАНОВЕ
БС10
1
1
2-й Стек (СТЕК)
3-й Подтверждение
останова (ЯОСТ)
4-й Вывод (ВЫВОД)
ВЫВОД. Если ЗВ-1, то
выполняются циклы ЧТЕНИЕ ПАМЯТИ,
ВВОД
СТЕК-1 указывает, что на
адресной шине находится содержимое
указателя стека, т. е. адрес
верхней ячейки стека
ПОСТ-1 указывает, что процессор
находится в состоянии ОСТАНОВ,
т. е. выполняется команда HL Т
ВЫВОДА указывает, что на
адресной шине находится адрес
внешнего устройства (ВУ), на которое
осуществляется вывод
информации (цикл ВЫВОД)
0/0 1/1 0/0 0
0/0 0/0 0/0 0
0/0 0/0 0/1 0
Окончание табл. 4
Разряд
шины
данных
5-й
Сигнал состояния
на выходе регистра
состояния
(см. рис. 44)
Идентификация
первого
машинного цикла (Ml)
Описание уровней сигналов
состояния
М1-1 указывает, что выполняется
цикл команды ВЫБОРКА
Ml
ВЫБОРКА
БС1
1
M2jM3
НИЕ/ЗАПИСЬ
ПАМЯТИ
БС2/БСЗ
0/0
Тип машинного
М4/М5
НИЕ/ЗАПИСЬ
СТЕКА
БС4/БС5
0/0
М6/М7
ввод/
вывод
БС6/БС7
0/0
цикла
М8
ПРЕРЫВАНИЕ
БС8
1
М9
ОСТАНОВ
БС9
0
М10
ПРЕРЫВАНИЕ
ПРИ
ОСТАНОВЕ
Б СЮ
1
6-й Ввод (ВВОД) ВВОД-1 указывает, что на
адресной шине находится адрес ВУ, с
которого осуществляется ввод
информации (цикл ВВОД)
7-й Чтение памяти Если ЧТП-1, то шина данных ис-
(ЧТП) пользуется для чтения данных из
памяти
0/0 0/0 1/0 0 0 0
1/0 1/0 0/0 0 1 0
хроимпульса F2 и сопровождается выдачей сигнала синхронизации
машинных циклов на вывод SINC. Длительность F2 мала, поэтому для
формирования управляющих сигналов на основе соответствующего байга состояния
он запоминается в специальном регистре состояния в течение действия
синхроимпульса начала машинного цикла на выходе SYNC.
§ 4. Программируемый параллельный интерфейс
Структура программируемого
параллельного интерфейса. Микросхема КР580ИК55 представляет собой
однокристальное программируемое устройство ввода — вывода параллельной
информации различного формата (рис. 46).
Микросхема предназначена для сопряжения стандартных
периферийных устройств ввода - вывода с системной шиной микроЭВМ на базе
БИС КР580.
Для сопряжения с внешними устройствами микросхема имеет 24
вывода, которые могут отдельно программироваться но 2 группы из 12
выводов и использоваться в трех режимах работы. В режиме „О" каждая
группа из двенадцати выводов может быть запрограммирована на простой
ввод или вывод. В режиме „1" по 8 выводов каждой группы могут быть
запрограммированы на пробируемые ввод или вывод, а оставшиеся 4
вывода используются для управления программным обменом или обменом
по прерыванию. В режиме „2" микросхема
представляет собой двунаправленный
8-разрядный канал данных, управляемый сигналами
5 выводов.
Режим обмена задается программно
пересылкой на интерфейс управляющего слова
соответствующего формата. Состояние
интерфейса может быть проконтролировано
программой путем считывания слова состояния
интерфейса.
Микросхема организована на основе общей
внутренней двунаправленной 8-разрядной шины
данных и содержит следующие функциональные
узлы (рис. 47, а): порты ввода — вывода А, В
и С со схемой управления группами шин А и В;
средства сопряжения с системной шиной —
буфер шины данных и узел управления чтением -
записью.
Рис. 46. Цоколевка микросхемы КР580ИК55
(параллельного программируемого интерфейса)
127
Выборка
партой А,В,С
CS A1 АО RB WR RESET
шп
В7...0
Схема управления
чтением/записью
dyipep шины данных
Схема управления
группой портов А
т
Схема управления
группой портов В
Внутренняя шина БИС параллельного интерфейса КР580ИК55 )
О- О, П
U
РА7...0
I Порт А Порт с\ Порт С
0 1
Порт ,
РС7...Ч- PCS.-.. О
а'
PB7...D
АШ
Адресная шина
та С
Шина данных
ШУ Шина управления
Ч-ТВВ ЗПВВ УСТ„О"
Вход Вы5орни\ I
микоосхемы г—<>
микросхемы
Порт А -*¦ О О
Порт В-*-0 1
Порт С-*. 1 О
Регистр
управляющего мова
(РУС) -¦-1 1
CS A1 АО 117...О RD WR RESET
КР580ИК55
..J
РА7...0 РС7...Ч РС3...0 PB7...D
ITTU О
Входы-выходы в-разрядных портов Аи В, 2хЦраз~
рядного порта С, подключаемые к датчикам
исполнительным механизмам и другим внешним устройствам микроэвм
5
Порты А, В и С предназначены для приема и хранения информации,
пересылаемой между ЦП и внешними устройствами. Внешние устройства
подключаются к выводам портов А (РА7... 0),В (РВ7. .. 0),С (РС7... 4
иРСЗ... 0).
Функциональное назначение каждого порта задается и осуществляется
программным способом, а возможности функционирования — его
внутренней структурой.
Порт А содержит 8-разрядный выходной регистр с выходными
формирователями и 8-разрядный входной регистр с входными формирователями.
Он может работать на ввод или вывод 8-разрядных слов во всех трех
режимах.
Порт В состоит из 8-разрядного регистра ввода — вывода, входных и
выходных формирователей и может использоваться на ввод или вывод
8-разрядных слов в двух режимах - „О" и „1".
Порт С состоит из двух 4-разрядных регистров (разряды 0 ... За
4 .. . 7 канала С). Каждому регистру соответствует своя группа
входных и выходных формирователей, используемых для ввода — вывода
4-разрядных слов в режиме „О". При работе портов А, В в режимах „1"
или „2" выводы порта С используются для приема и выдачи управляющих
сигналов обмена, а регистр порта С выполняет функции регистра
состояния.
При выводе в режимах „О" и „1" информация принимается с шины
данных в регистры портов и выдается на выход каналов в течение всего
периода вывода (до смены информации в регистрах). При вводе в режиме
„О" информация передается с каналов непосредственно на шину данных
(без запоминания в регистрах портов), в режиме „1" информация
принимается в регистры портов А, В в течение действия внешних сигналов
управления, поступающих на входы порта С, а затем передается на шину данных.
В режиме „2" порт принимает информацию во входной регистр и выдает
информацию из выходного регистра на внешнее устройство в течение
действия внешних сигналов управления, поступающих через канал С.
Если интерфейс запрограммирован для работы в режимах „1" или
„2", то управляющая информация об установлении обмена фиксируется в
регистре порта С, что позволяет простым чтением содержимого порта С
проверить состояние любого внешнего устройства, подключенного к
интерфейсу, и таким образом осуществлять обмен данными.
На основании этой информации формируются сигналы запросов
прерывания, которые выдаются через соответствующие выводы порта
(канала) С. Разрешение или запрет формирования этих сигналов осуществляется
под управлением соответствующих разрядов регистра порта С,
используемых в качестве триггеров разрешения прерывания. Если этот триггер
установлен в состояние логической единицы, формирование сигнала
прерывания разрешено, в противном случае — запрещено.
Рис. 47. Функциональная схема (а) интерфейса КР580ИК55 и его подключение (б) к
адресной шине АШ, шине данных ШД и шине управления ШУ
5-786 129
Установка или сброс триггеров разрешения прерывания
осуществляется программным способом, при котором можно разрешать или
запрещать обслуживание устройств ввода - вывода без анализа запросов
прерывания в системе прерываний.
Регистр управляющего слова (РУС) предназначен для приема и
хранения управляющего слова и задания режима работы портов ввода —
вывода интерфейса, которое поступает через буфер шины и внутреннюю
шину данных. Запись управляющего слова осуществляется по наличию
логической единицы в разряде D7 управляющего слова. РУС группы А
задает режим работы порта А и старших разрядов порта С. РУС управления
группой В задает режим работы порта В и младших разрядов порта С.
Буфер шины данных является трехстабильным, двунаправленным и
предназначен для подключения внутренней шины данных к системной
шине. Подключение осуществляется с помощью выводов D7 ... 0.
Передача информации через буфер осуществляется по командам
микропроцессора. Время передачи определяется длительностью сигналов „Запись"
и „Чтение".
Микропроцессор передает на интерфейс байты данных для внешнего
устройства или управляющие слова для программирования интерфейса и
принимает байты входных данных от внешних устройств или слова
состояния интерфейса.
Схема управления чтением — записью осуществляет управление всеми
внутренними и внешними пересылками слов данных, управляющих слов
и слов состояния. Управление осуществляется под воздействием внешних
сигналов, поступающих на выводы микросхемы (рис. 47, б): CS — вход
выборки микросхемы (сигнал низкого уровня на этом входе разрешает
связь между микросхемами КР580ИК80А и КР58ОИК55) обычно
подключается к адресной шине через селектор адреса; RD - вход сигнала чтения
низкого уровня, разрешающего передачу данных или слова состояния на
шину данных ЦП; WR — вход сигнала записи низкого уровня,
разрешающего прием данных или управляющего словами с шины данных ЦП; А1,
АО — входы сигналов выбора одного из портов ввода -- вывода или
регистра управляющего слова обычно подключаются к младшим разрядам
адресной шины ЦП; RESET — вход сигнала сброса, обнуляющего все
внутренние регистры (порты В, А, С переключаются при этом в режим ввода).
Вид обмена информацией между шиной данных и портами ввода —
вывода в зависимости от значений сигналов на входах CS, RD, WR, АО
и А1 представлен в табл. 5.
Табл. 5. Передача информации между ЦП и микросхемой КР580ИК55
в зависимости от сигналов управления чтением — записью
GY
RD
WR
А1 АО
Направление обмена и вид операции
Шина данных-*интерфейс
0 10 0 0 Запись данных в порт А
0 10 0 1 Запись данных в порт В
130
Окончание табл. 5
CS
0
0
0
0
0
1
RD
1
1
0
0
0
X
WR
0
0
1-
1
1
X
Л1
1
1
0
0
1 I
X
АО
0
1
0
1
0
X
Направление обмена и вид операции
Запись данных в порт С
Запись управляющего слова
Интерфейс-"-шина данных
Чтение поотаА
Чтение порта В
Чтение порта С
Отключение
Принцип работы БИС КР580ИК55 в требуемом режиме. Выбор режима
работы интерфейса осуществляется под управлением программы путем
записи управляющего слова в регистр управляющего слова. При этом
порты интерфейса устанавливаются в один из трех режимов работы:
режим „О" — простой ввод — вьюод, порты А, В, С; режим „1" — строби-
руемый ввод — вывод (ввод — вывод с квитированием), порты А, В;
режим „2" — двунаправленный канал, порт А.
Режим работы интерфейса можно устанавливать в любом месте
выполнения программы, что позволяет обслуживать различные
периферийные устройства в определенном порядке одним интерфейсом.
Режимы работы каналов А я В могут устанавливаться автономно и
независимо друг от друга, а режим работы канала С зависит от режимов
работы каналов А к В,
При подаче на ввод RESET напряжения логической единицы регистр
управляющего слова устанавливается в состояние, при котором все
каналы настраиваются на режим „О" для ввода информации (все шины каналов
А, В, С переходят в высокоимпедансное состояние). При снятии сигнала
RESET содержимое РУС не изменяется и соответственно не изменяется
режим работы интерфейса. При каждом изменении режима работы любого
из каналов все входные регистры портов сбрасываются в состояние
логического нуля. При установке режимов „1", „2" это приводит к
обнулению всех разрядов регистра состояния (регистра порта С), поэтому
необходимо осуществлять требуемую начальную установку разрядов
порта в соответствии с режимом работы каналов А, В.
Форматы управляющего слова, определяющего режимы работы
каналов, показаны на рис. 48. Для записи управляющего слова в РУС можно
использовать команду вывода МП КР580ИК80Л. При этом управляющее
слово предварительно записывается в аккумулятор, а затем выводится
в соответствующий интерфейс с указанием адреса регистра управляющего
слова А1 АО-1 1 (см. табл. 5).
Работа микросхемы в режиме „О" обеспечивает простой ввод или
вывод информации через любой из трех каналов А, В и (или) С, при этом
сигналы управления (квитирования) не требуются. Данные просто
читаются или записываются через определенный канал во внешнее устройство
или из него в интерфейс. В режиме ,,0" интерфейс можно представить как
131
Группа А
Группа В
07 D6 В5 № D3 S2 D1 ПО
Признак УС
режима
1а
\РА7...и\\РС7..л\
Режим группы А
Режим
Режим
Режим
"
"
0
а
1
о
1
к
1/
/о
1,
1-t
О-дывоЗ
\РВ7...0\\РСЗ..М\
Режим группы В
Режим „О"
Режим „ /"
1O
0
ив
IJd
Признак УС уста-
нодни/сброса
М
Ш
BZ
U2
В1
1I
ВО
t
Номер
разряда
Ш
Уо
1
7
а
Установка
Сброс
РСО
РС1
РС2
РСЗ
РСЧ-
РС5
РСВ
PC 7
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
D
1
0
1
Рис. 48. Форматы управляющих слов (УС): режима (а) и установки сброса (б) для
программируемого интерфейса КР580ИК55
два 8-разрядных и два 4-разрядных канала ввода — вывода, причем
входная информация не запоминается, а выходная хранится в выходных
регистрах до записи новой информации в канал или до записи нового режима
(рис. 49). В зависимости от содержания разрядов D4, D3, Dl, DO возможно
16 различных сочетаний схем ввода — вывода в режиме „О" B4= 16).
Для правильного чтения — записи информации в интерфейсе
необходимо обеспечить требуемую длительность сигналов „Чтение", „Запись",
опережение сигналов на входах АО, Al, CS относительно начала сигналов
„Чтение", „Запись", их задержку относительно окончания действия сигнала
„Чтение". Информация на входах каналов А, В, С должна быть установлена
до поступления сигнала „Чтение" и сохраняться в течение некоторого
интервала времени после сигнала окончания „Чтение", информация на входах
канала D7 ... О должна устанавливаться до поступления и сохраняться
после окончания сигнала „Запись".
Запись управляющего слова в интерфейс осуществляется согласно
временным диаграммам вывода в режиме „О".
Таким образом, сопряжение устройств ввода — вывода с системной
шиной микроЭВМ осуществляется с помощью портов ввода — вывода
микросхемы КР58ОИК55, представляющих собой запоминающие регистры
или ячейки памяти с логическими схемами выборки и управления.
Примером устройств ввода — вывода или внешними устройствами микроЭВМ
могут служить: датчики информации; регистрирующие и управляющие
устройства; стандартные периферийные устройства связи с оператором,
такие, как перфораторы, фотосчитыватели, электрифицированные
пишущие машинки, /дисплеи и др.; устройства внешней памяти, например
накопители на магнитной ленте (НМЛ) и гибких магнитных дисках (НГМД).
Каждое внешнее устройство подключается к одному или к нескольким
портам. Выборка этих устройств осуществляется путем выборки
соответствующих портов ввода — вывода.
Структура интерфейса внешних устройств при различном их
взаимодействии с микроЭВМ. Взаимодействие микропроцессора или микроЭВМ
с внешними устройствами (ВУ) называется обменом с внешними
устройствами, при котором может быть использован один из трех способов
управления: программный обмен; обмен но прерыванию; обмен но каналу
прямого доступа к памяти.
Программный обмен (рис. 50, с. 136) осуществляется по
инициативе и под управлением непосредственно процессора (микро-,
центрального процессора), который осуществляет программный опрос
состояния {ВУ), и, если (ВУ) готово к срабатыванию (отключению),
выполняет операции обмена, т. е. ввода или вывода данных. В противном случае
процессор выполняет повторно анализ готовности ВУ, т. е. ожидает
готовность ВУ, выполняя соответствующие команды программы. При
программном обмене интерфейс содержит порты ввода или вывода данных и порты
управления. Порт управления содержит регистр, предназначенный для
хранения состояния ВУ и логические схемы выборки и управления. При вводе
данных они записывают в порт данных по стробу (сигналу) сопровож-
133
07 SB B5 ВЧ ИЗ D2 В1 DO
1
0
0
У
РА7...0
\
Группа А
Порты 66
РА7...0 РС7
Ц-
0
РС7..Л
а
86од
В7...0
У
РВ7...
Г-ввод
0- вывод
9 РС3...0
V
Группа В
Wbb
\
RD
ода НР580ИК55
..Ц РСЗ
...0
РВ7...0
ТТ 1Г ТГ ТТ
Вход Вход Вход Вход
Канал A v—Канал С—' Канал В
В
Вывод
Ж
ЗПВВ
JL
D7...0 WR
Порты выдода КР5В0ИК55
РА7...0 РС7..Л PC...О РВ7...0
П I
Выход Выход Выход Выход
Кана/i A v— Канал С —/ Канал В
Данные на
шину D7...О
поступают со бхо-
дов без
запоминания 6
регистрах портов
xzrzirzzzzii
Выход
Данные с
шины D7... О
запоминаются б
портах перед
выдачей на
выходы
дсния данных („Данные готовы"), по которому устанавливается
состояние готовности ВУ в порту управления. Процессор читает состояние порта
управления с шины данных, выставляя его адрес на адресную шину по
сигналу управления чтением ввода — вывода ЧТВВ. Аналогично читаются
данные с порта ввода данных. По окончании чтения данных состояние
готовности ВУ порта управления сбрасывается сигналом „Конец чтения".
При выводе ВУ подтверждает прием данных стробом приема данных
.,Данные приняты", по которому устанавливается состояние готовности
ВУ в порту управления. Процессор записывает данные в порт вывода
сигналом ЗПВВ. По окончании записи состояние готовности ВУ в порту
управления сбрасывается сигналом „Конец записи". Программный обмен
пригоден для использования с внешними устройствами, производительность
которых уступает производительности процессора, так как он затрачивает
время на опрос состояния внешнего устройства, что снижает
производительность микропроцессорной системы управления.
Обмен по прерыванию (с. 137) осуществляется по инициативе
не процессора, а внешнего устройства. Сигнал готовности ВУ используется
для формирования запроса прерывания процессора. Этот запрос
обрабатывается системой прерывания процессора и, если прерывания разрешены,
происходит прерывание программы, выполняемой процессором, и
переход к подпрограмме ввода — вывода.
Структура интерфейса ввода — вывода по прерыванию содержит порты
ввода — вывода данных и блок обработки приоритетов запросов
прерываний, который осуществляет прием и хранение сигналов готовности
обмена („Данные готовы" или „Данные приняты") с помощью триггеров
запросов прерываний.
Обмен по прерыванию повышает производительность
микропроцессорной системы управления, так как при таком обмене исключены
затраты времени процессора на программный опрос состояния ВУ.
Обмен в режиме прямого доступа к памяти (ПДП) осуществляется
без вмешательства процессора, поэтому для управления системной шиной
(АШ, ШД и ШУ) служит дополнительный контроллер ПДП (с. 138),
который вместе с интерфейсом ввода — вывода образует средства и каналы
ПДП. Контроллер ПДП принимает запросы ПДП от ВУ, формирует сигнал
запроса шины процессора и, получив подтверждение, освобождает
системную шину от процессора, берет на себя управление этой шиной. Контроллер
ПДП формирует адреса и управляющие сигналы чтения -- записи памяти
(?777 - ЗПП) и интерфейса внешних устройств ввода - вывода (ЧТВВ -
ЗПВВ), а также сигнал (РШ) отключения интерфейса процессора от
системной шины. Сигналы запросов ПДП формируют цепи интерфейса ВУ подобно
Рис. 49. Работа программируемого интерфейса КР580ИК55 в режиме „О":
а — формат управляющего слова при вводе — выводе; б — состояние микросхемы и
временная диаграмма при вводе („Чтение", ЧТВВ) контролируемых сигналов
(информации) от датчиков и других внешних устройств; в — состояние микросхемы
при выводе („Запись", ЗПВВ) информации на исполнительные механизмы и другие
внешние устройства
135
АШ'_
ад<С
¦ШУ
D7...0
ю
D7...0
ВО
¦
1
ЧТВВ ЦТВВ
Адресный
селектор
\
Выборка Выход Чтение
Порт Ввода
Вход Запись
1
1
1
Выборка Выход Чтение
Порт управления
Сброс Установка
Конец чтения
Адресный
селектор
L
¦
ЗПВВ 41ВВ >
Выборка Вход' Запись
Порт вывода
Выход
1
Вы5орна Выход Чтение
Парт управления
Сброс установка
Конец записи
Данные от дУ
Строб сопроВомдения'
данных
Данные к Si/
Строб
подтверждения приема даннь'Х
лш
ШУ
D7...0
зпвв
ч-твв
то >
О
fTBB ЗПВВ РПР ПРЕ ffiPl)
Выборка Запись Данные Чтение Запросы
прерывания
Интерфейс ЬЬода-ЬыЬода
Вывод
данных
\\ 1Г
Управление
Ввод
данных.
Выборка Вектор/статус чтение Запись Разреше- Запрос подтбер-
прерыВания ние преры- преры- тдение
вания ЗанияЦПпрерыда-
ния ЦП
Блок обработки приоритетов запросов прерываний
Запросы прерывания
К другим источникам прерыбаний
шд (^
ШУ t
A15...D
Л7...0
D7...0
I О
зпвв ~чтп зпп зкв /щ >
Ч1№ 3PBS ЗПП
РШ
Выборка Отнлш- Адрес УпраШние Чтение Запись Чтение Запись Запрос подтдер-
чение ПДП информацией bid В/В ОЗУ ОЗУ захоа- жЗение
шин та захбата
Контроллер ЛДП
Подтверждение Запрос Конец
ПДП ПДП ПАП
Выборка Данные Чтение Запись Запрос
В/В В/В ПДП
Интвр/рейс 86ода-Вывода
к ВУ
Запрос прерывания ЦП
1-й на нал
4 - канал
Г * \ \ || ^ис- 50. Сгруктура интерфейса внешних устройств 8-разрядного мик-
. . , . роконтроллера или микроЭВМ
Вывод Управление ая-я v v F
тому, как формируются сигналы запросов прерывания. Адресные сигналы
передаются па адресную шину, а выборка интерфейса в режиме ПДП
осуществляется сигналом с линии подтверждения ПДП. Адресные входы
ныборки интерфейса используются в режиме программирования
интерфейса.
Информация об области памяти, используемой при обмене, в форме
начального адреса и размера массива пересылаемых данных загружается
и контроллер процессором на этапе его программирования. Процессор
обращается к контроллеру ПДП, как к обычным портам ввода - вы-
нода.
Так как пересылка данных осуществляется непосредственно между
ЧУ и памятью без затрат времени на выборку и дешифрацию команд,
пропускная способность канала обмена в режиме ПДП наиболее высокая по
сравнению с другими способами обмена, однако аппаратурные затраты
па реализацию канала ПДП при этом возрастают.
§ 5. Информационное и программное обеспечение машин
и агрегатов с ЧПУ в швейном производстве
В основу разработки программною
обеспечения положены различные способы получения цифровой
информации о контуре обрабатываемых деталей или траектории рабочего
инструмента относительно контура. Для швейных манипуляторов перемещения,
используемых на раскройных агрегатах и швейных машинах с ЧПУ, в
основе информационного обеспечения используется общая траектория
рабочего инструмента Т1ри выполнении типовых технологических
операций на различных этапах промышленного изготовления швейных изделий.
Это можно выполнять при изготовлении чертежей лекал и деталей швейных
изделий, при программированном раскрое, при автоматизированном
перемещении по требуемому контуру стачиваемых или вышиваемых но
требуемому контуру деталей или собираемых на швейном агрегате сборочных
единиц. Общим объектом программирования для всех случаев является
траектория рабочего инструмента относительно детали или чертежа или
детали швейного изделия относительно рабочих инструментов, в качестве
которых используются соответственно карандаш или перо, газолазерный
или микроплазменный резак, рабочие инструменты швейной машины.
Информационное и программное обеспечение технических и аппаратных
средств гибкой автоматизации, построенных на единой унифицированной
базе по модульному принципу, имеют различную динамику механизмов
графопостроителя и двухкоординатных манипуляторов перемещения,
применяемых в раскройном агрегате с ЧПУ и швейных машинах с ЧПУ.
Контур изготавливаемых лекал деталей швейных изделий, контур
выкраиваемых деталей и траектория строчек и швов, выполняемых по
контуру могут быть заданы тремя способами:
чертежом в масштабе 1 : 1, в уменьшенном или увеличенном
масштабе;
139
таблицей координат характерных точек, называемых еще опорными
точками, которые принадлежат контуру и соединены между собой
прямыми линиями, кривыми второго порядка и более сложными кривыми,
аппроксимируемыми (заменяемыми) алгебраическими или
тригонометрическими многочленами;
аналитическими выражениями в виде формул аналитической
геометрии, описывающих радиусы кривизны контуров, расстояние между
точками аппроксимации контура и другие геометрические параметры.
Операции преобразования графической информации в цифровую
форму называются считыванием, или скалыванием, которое заключается
is замене контура лекал, чертежа деталей или другого графического
изображения множеством координат опорных точек, закодированных в
двоичной, восьмиричной или шестнадцатиричной системе счисления,
определяемой типом и разрядностью используемого микропроцессорного комплекта,
используемого в микровычислителе устройства для считывания
информации полуавтоматическим или автоматическим способом.
Самый простой способ считывания графической информации —
ручной; который применяется при простом контуре и небольшом объеме
считываемой информации. При увеличении числа координат считываемых
точек контура более 200-300 процесс ручного считывания становится
утомительным и возрастает вероятность появления ошибок.
При ручном считывании чертеж детали швейного изделия или лекала
выполняется в прямоугольной системе координат на миллиметровой
бумаге таким образом, чтобы'одна или несколько опорных точек контура
совпадали с осями координат и их началом, и по миллиметровой сетке
определяют координаты опорных точек по оси абсцисс и оси ординат.
Полученные значения координат записывают в таблицу в десятичной
системе счисления, которые затем переводят в двоичную или производную от
этой системы восьми- или шестнадцатиричную систему счисления,
понятную для используемой затем микроЭВМ.
Полуавтоматическое считывание графической информации наиболее
распространено. Датчики считывания графической информации
используются в полуавтоматических и автоматических устройствах графического
ввода УГВ. Отметим следующие преимущества полуавтоматического
способа считывания и устройств /для считывания графической
информации:
возможность работы в диалоговом режиме с ЭВМ, при котором
пользователь (оператор) может управлять содержанием контролируемого с
помощью дисплея графического изображения, его формой, припусками
и размерами с помощью клавиатуры пульта графического или алфавитно-
цифрового терминала. Такая совокупность аппаратных и программных
средств машинной графики, взаимодействующая с пользователем в
режиме реального времени называется интерактивной машинной
графикой, являющейся основой содержания САПР для конструирования
одежды;
простота обучения и работы оператора;
140
более высокая производительность считывания, чем при ручном вводе
графической информации;
процесс считывания координат опорных точек контура совмещен с
процессом ввода информации в микроЭВМ.
Присущий полуавтоматическому способу недостаток в виде
возможности появления субъективных ошибок оператора из-за неточности
совмещения визира датчика ввода графической информации с фактическими
координатами точки контура менее весомый, чем значительное усложнение
аппаратных и программных средств, необходимых для реализации
автоматического способа считывания графической информации.
Автоматическое устройство для считывания контура лекал, как и
раскройный агрегат с ЧПУ, содержит двухкоординатный манипулятор
перемещения, который в первом случае перемещает вдоль контура
считывающую фотоголовку, а во втором - микроплазменную или газолазерную
режущую головку. При замене рабочих головок используемую в системе
управления микроЭВМ можно переключать для управления шаговыми
электродвигателями двухкоординатного манипулятора перемещений с
режима автоматического считывания на режим программируемого
раскроя и наоборот. Таким образом, в качестве базовых модулей можно
использовать общий электромеханический манипулятор и одну
микроЭВМ, имеющую дополнительные интерфейсы для сопряжения
считывающей фотоголовки и средств расширения с микроЭВМ.
Таким образом, повышение производительности и точности
считывания графической информации обеспечивается при полуавтоматическом
и автоматическом способах считывания, которые могут служить для
подготовки управляющих программ, используемых затем в раскройных
агрегатах с ЧПУ и вышивальных автоматах с ЧПУ. Накопление числа
управляющих программ и долговременное хранение их на перфолентах или
внешних магнитных носителях информации в ЭВМ позволяет создать
информационную базу для организации банка данных в швейном
производстве для САПР по наиболее перспективным и технологичным в
массовом производстве моделям швейных изделий, обрабатываемых на
оборудовании с ЧПУ на различных стадиях их проектирования и
изготовления.
§ 6. Основы построения автоматизированных рабочих мест
для систем автоматизации проектирования
Швейное производство является
перспективным объектом широкого применения стандартных и
специализированных технических средств и программного обеспечения машинной
графики. При изготовлении швейных и трикотажных изделий, обуви,
головных уборов, кожевенно-галантерейных изделий на типовых
технологических этапах производства выполняются операции, такие, как
конструирование и вычерчивание плоских деталей сложной геометрической
формы, их раскладка и раскрой по контуру, сборка преимущественно
141
при последовательном соединении по контуру, в результате которой
получается объемная форма изделия или объемная оболочка из текстильных
материалов. Аналогичные типовые технологические операции выполняются
и в других отраслях промышленности, но с плоскими металлическими
материалами, например, в судо- и авиастроении, где накоплен определенный
опыт разработки и применения технических и программных средств
машинной графики в различных подсистемах САПР, который может быть
использован в швейном производстве.
Машинная графика применительно к производству одежды — это
создание, хранение и обработка моделей объектов и их изображений в виде
деталей кроя и лекал, чертежей разверток и сечений манекенов, раскладок
лекал в масштабе 1 : 1 для производства и в уменьшенном масштабе для
хранения визуальной информации о рациональных раскладках, которые
реализуются с помощью ЭВМ, оснащенных развитой системой внешних
графических устройств. Основой создания и функционирозания САПР
является интерактивная машинная графика — это машинная графика,
обязательно предназначенная для взаимодействия с пользователем
(оператором) , который имеет возможность на различных этапах процесса
проектирования на ЭВМ динамически в режиме диалога с ЭВМ управлять
содержанием изображения, его формой, размерами на экране дисплея с
помощью интерактивных (смешанных) устройств взаимодействия, наприг
мер в виде клавиатуры, корректирующего „карандаша" и др.
Таким образом, САПР — это сложная система „человек — ЭВМ", в
которой эффективно используются характерные особенности и возможности
каждой из подсистем: человек — интуиция, опыт, изобретательность,
способность принятия творческих решений и идей; ЭВМ - быстродействие,
точность расчета, объем памяти и ее долговременность, надежность и др.
В таких системах пользователь выступает не только как потребитель
результатов расчета ЭВМ, а сам является активным участником и
разработчиком процесса проектирования, т. е. имеет место совместный поиск
решений проектировщика (модельера, разработчика, конструктора) с ЭВМ.
САПР как сложный организационно-технический комплекс включает
в свой состав следующие основные виды обеспечения, которые являются
обязательными при разработке и функционировании системы:
методическое, программное, техническое, информационное и организационное.
Рассмотрим программное и техническое обеспечение САПР, с которыми
взаимодействует пользователь.
Программное обеспечение (схема 6) подразделяется на
общесистемное (операционные системы, трансляторы с алгоритмических языков
и др.) и прикладное (пакеты прикладных программ и комплексы
программ технического обслуживания ЭВМ). В схеме 6 приняты следующие
сокращенные обозначения программных средств: ОС ЕС — операционная
система единой системы ЭВМ (ЕС ЭВМ); ДОС ОС - дисковая ОС ЕС;
БПО АРМ — базовое программное обеспечение автоматизированных
рабочих мест; ДОС РВ — дисковая ОС реального времени; РАФОС —
операционная система реального времени с разделением функций между несколь-
142
Схема 6. Классификация основных систем программного обеспечения САПР
Системы программного идее
печения САПР
Операционнь/е сисмемь/
.
—
ОС
ДОС
впо
ДОС
?С
?С
АРМ
РВ
/(омлле/гсы лрог
ромм /лелничес
кого бв
ния ММ
контрольные
наладочные
тесты
41
Программы
диагностики
гмас
программ /Ш/7}
ЛV/W, pat а/иряющ ие
возможности и сгю
са&ь/ применен//»
в
сметем
fl/1/J d/гя решения
задач /jo/гьзобаспе
ля
кими микропроцессорами или спецпроцессорами, которые могут входить
в систему; ТМОС — тест-монитор операцирнная система.
РАФОС предназначена для эксплуатации на мини-ЭВМ СМ-4, на основе
которых разработаны следующие АРМ второго поколения: АРМ2-01
(АРМ-Р) — для проектирования радиоэлектронной аппаратуры; АРМ-02
(АРМ-М) — для конструкторских задач машиностроения; APM2-G3 — для
разработки программ для станков с Ч1ТУ; АРМ2-04 — для разработки и
редактирования программ и произвольной текстовой документации;
АРМ2-О5 — для разработки и отладки управляющих программ или
микропрограмм для микропроцессорных систем управления и их компонентов.
Характерной особенностью АРМ является развитая система внешних
устройств для графического ввода, отображения, редактирования,
документирования и хранения информации, обеспечивающая работу
конструкторов и проектировщиков в режиме интерактивного графического
взаимодействия. В состав технического обеспечения САПР входит базовая ЭВМ
с возможностью ее расширения или взаимодействия с ЭВМ верхнего уровня
иерархии и внешние устройства АРМ. Обычно рассматривается нижний
уровень организации САПР в виде АРМ проектировщика (конструктора).
При этом важно отметить, что некоторые внешние устройства АРМ
оснащаются встроенными микропроцессорными системами управления (мик-
роЭВМ) и в этом случае называются терминалом (например, графический
терминал типа Графит содержит две встроенные микроЭВМ Электрони-
ка-60, использование которых позволяет рационально распределять
вычислительную мощность мини-ЭВМ СМ-4, программно совместимую с мик-
роЭВМ, формировать локальные банки данных и снижать тем самым за-
143
грузку системной шины мини-ЭВМ). Но при этом программное обеспечение
должно обеспечивать- обработку приоритетных запросов прерьшании,
устанавливать очередность обработки информации, подготовленной на других
внешних алфавитно-цифровых и графических терминалах или дисплейных
процессорах интерактивной графической системы. Это обеспечивает
переход на гибкие формы взаимодействия с ЭВМ верхнего уровня иерархии,
служащих основой построения гибких автоматизированных
производственных систем и А СУП.
В состав технических средств САПР раскладки, которая
функционирует на производственном швейном объединении „Москва", входят
управляющий вычислительный комплекс на базе ЭВМ СМ-4 и АРМ-М с
широкоформатным планшетным графопостроителем с рабочим полем B X 3 м)
для раскладки лекал в масштабе 1:1. Комплекс технических средств на
базовом модульном принципе построения для САПР швейного
производства, разработанный Ленинградским СПКТБ швейной промышленности
и опытным заводом Минлегирома РСФСР совместно с другими
организациями, который рекомендован к внедрению в швейном производстве,
включает следующие системы: Силуэт-С для автоматического считывания
информации с раскладки лекал в натуральную величину; Силуэт-К для.
зарисовки раскладки лекал; Силуэт-Р для программированного раскроя
текстильных материалов. Выполнен ряд научно-исследовательских и>
опытно-конструкторских разработок по подсистемам САПР для швейного
производства в отраслевых научно-исследовательских институтах, а также
в вузах.
§ 7. Технические средства АРМ
АРМ как типовая интеративная
графическая машинная система имеет следующие основные системы
технических средств (рис. 51): базовая ЭВМ; дисплей, состоящий из
дисплейного процессора, устройства отображения, выполненного, например, на
электронной лучевой трубке (ЭЛТ), и устройства ввода и редактирования
информации по экрану ЭЛТ; устройства вывода графической
информации — графопостроитель и алфавитно-цифровое печатающее устройство.
Датчики и технические средства для считывания и ввода в микроЭВМ
графической информации (см. рис. 11), структура и состав микро- и мини-
ЭВМ (см. рис. 36—39) входят в АРМ, поэтому здесь остановимся только
на конструктивных особенностях и принципе работы графопостроителей
и дисплеев, также входящих в соответствующие подсистемы АРМ
(рис. 52).
Различные принципы построения и режимы использования
вычислительных систем при взаимодействии с внешними устройствами
пользователя приведены на рис. 53. Для САПР и других автоматизированных
систем целесообразна иерархическая структура построения комплекса
технических средств с распределением функций по уровням /, // и ///,
обеспечивающих максимальное использование вычислительной мощности больших,
144 .. /
// Грашо-
построи-,
me ль
Л/крабитно-
цифровое
печатающее
чппройстдо
Базовая
ЭВМ
Дисплейный
процессор
(микроэвм
Дисплей
, Устройство
отображения
на электронно-]
лцчевой трибке !
Диалоговое
устройство
Рис. 51. Блок-схема типовой интерактивной машинной графической системы
Связь е
ЕС ЭВМ
Мини-ЭВМ
СМ-Ч
I Стандартное
периферийное
оборудование ЭВМ
Системная шина СМ ЭВМ
Граро-
'/
построитель
АЛ-7252
Полуав/vo -
мат
кодирования
графической ин
формации
ПКГИ-0
(Графичес-\
кий терми-\
нал „ Гра- г
фит" J
\
1 Рабочее место
| АРМ I проектировщика
/Алфавит- л
/но- цифровой]
\видиотер-
\. минал
1'ис. 52. Состав технических средств автоматизированного рабочего места АРМ2-02
малых микроЭВМ и их внешних устройств (периферийного оборудования)
па всех уровнях. При этом должны параллельно использоваться оба
процессора ЕС ЭВМ и мини-ЭВМ, иначе ЕС ЭВМ выполняет роль
дополнительной памяти. Основными техническими средствами для вывода
графической информации на АРМ являются алфавитно-цифровое печатающее
устройство (АЦПУ), или просто печатающее устройство,
графопостроители или дисплеи.
Использование построчно печатающих устройств для графического
вывода целесообразно при вычерчивании блок-схем, графиков функций,
таблиц и матриц. Несмотря на низкую производительность и невысокую
145
г
U
Периферийное
оборудование
ЭВМ
Терминальный
пульт
на рабочем
месте
Г
Периферий-
ное
оборудование
ЭВМ
-IL
Терминаль -
НЬ/й ПЦАЫТ)
Терминальный
пульт N°i
Периферийное
оборудование
мини - ЭВМ
Першрерий-
ное обору -
Задание
ЕС ЭВМ
Рис. 53. Режимы использования интерактинных вычислительных систем:
а — монопольный режим с однофункциональным терминалом; б — режим
коллективного пользования с однофункциональным терминалом: в -- структура пользования
системой в комплекте с АРМ; /, // и///— уровни сопряжения больших, мини-и мик-
роЭВМ (по иерархическому принципу)
разрешающую способность печатающих устройств D точки на 1 см по
горизонтали и 2 2,5 точки на 1 см но вертикали), они позволяют
выводить графическую информацию, которая по стоимости ниже, чем при
использовании графопостроителя, но выше, чем выполненная
чертежниками вручную, с учетом затрат на математическое обеспечение и технические
средства САПР. Кроме того, АЦПУ работают шумно и испытывают большие
нагрузки при использовании их в качестве множительного аппарата, когда
требуется тиражирование выходных документов, что также ведет к
повышенному расходу качественной бумаги. Все указанные недостатки
определяют направления их совершенствования, а именно эти устройства
должны быть высокопроизводительными, малошумящими, малогабаритными
и содержать надежные копировально-множительные устройства, которые
могли бы снимать копии с бумаги типа Пепорелло (с двусторонней
перфорацией по краям), и выдавать их в уменьшенном формате, обеспечивая
двустороннее заполнение листа. В АРМ широко используются печатающие
устройства, формирующие изображения литер (букв, цифр и знаков) с
помощью набора печатающих игл или штырьков, собранных в матрицу 5X7
или 3X5. Такие печатающие устройства имеют разрешающую способность
до 40 точек на 1 см и называются знакосинтезируюшими устройствами
ударного действия. Известны и другие исполнительные механизмы и
способы для последовательной и параллельной печати.
Так как во многом конструкция и принцип работы
графопостроителей аналогичны принципам построения л управления двухкоординатных
манипуляторов перемещения раскройных агрегатов с ЧПУ, швейных машин
с ЧПУ и вышивальных автоматов с электронным управлением, рассмотрим
подробнее конструктивные особенности, принцип управления и работу
графопостроителей. Графопостроитель — это электромеханическое
устройство с электронным программным управлением для документирования
графической информации, выполненное в виде двухкоординатного
манипулятора перемещений (ДКМП) блока пишущих устройств (БПУ).
По конструкции различают графопостроители двух типов: планшетные
(рис. 54, а) и рулонные (рис. 54, б), работа которых основана на
преобразовании параллельных двоичных кодов в механическое перемещение
БПУ относительно бумажного носителя по программируемому закону.
Блок пишущих устройств состоит из трех пишущих устройств, каждое
из которых содержит соленоидный электромагнитный привод для
программируемого включения - отключения, т. е. подъема — опускания
соответствующего пишущего устройства.
Конструктивно ДКМП графопостроителя планшетного типа состоит
из аналогичных исполнительных приводов для обработки БПУ
программируемых перемещений по оси абсцисс и координате Y. По оси абсцисс
программируются перемещения траверсы, а по оси ординат —
перемещения каретки, которые соответственно получают движения от шаговых
электродвигателей ШД-Х и ШД-Y, редуктора 1, троса X и троса Y. Тросы
наматываются на барабаны 2, имеющие винтовую канавку.
Направляющие ролики 3, 4, 7, 9, 10, 11, 12 и 13-21, 25-27 служат для формирова-
147
Рис. 54. Кинематические схемы
i-рафоиостроителсй
ния трасс двух тросов. Для ограничения крайних положений траверсы
8 относительно неподвижного планшета и каретки относительно траверсы
служат соответственно микропереключатели 5, взаимодействующие с
подвижным упором 6, и микропереключатели 23 каретки, подвижные
относительно упоров 22 траверсы.
В планшетном графопостроителе перемещение пишущих устройств
24 по программируемой траектории осуществляется в результате сложения
двух линейных перемещений БПУ по координатам X и Y. В рулонном
графопостроителе (рис. 54, б) программируемое вычерчивание контура
графической информации осуществляется за счет сложения программируемого
вращательного движения барабана 1 с бумажной лентой 2 вокруг оси
абсцисс с помощью шагового двигателя ШД-Х1 с программируемыми
поступательными перемещениями гайки 4, ползуна 6 и пишущего устройства
3 относительно той же оси абсцисс с помощью приводного вала 5 от ШД-Х2.
148
Планшетные графопостроители позволяют получать
крупноформатные чертежи, например раскладку лекал в натуральную величину, что
1К1жно для построения САПР раскладки и других САПР швейного
производства. Использование нескольких пишущих устройств позволяет
выполнять графическую информацию в цвете и линиями различной
толщины. Различный тип вычерчиваемых линий (непрерывная, штриховая,
мприхпунктирная) задается программным способом путем
различной выдержки пишущих устройств в опущенном (или поднятом)
положении.
Вычерчивание графического изображения с помощью
графопостроители, называемых еще чертежными автоматами, осуществляется
кодированием координат опорных точек чертежа, т. е. точек контура, которые могут
Пыть соединены между собой отрезками прямых, дугами окружности
различного радиуса или с помощью другого метода аппроксимации
(замены) непрямолинейных участков контура или траектории пишущего
устройства. Структура графопостроителя (рис. 55) поясняется прохождением
информации, которая может вводиться через блок управления (БУ) и
непосредственно в блок управления манипулятором (БУМ). Во втором
случае графопостроитель может работать совместно с магнитосчитываю-
щим устройством ЕС-7050 и накопителем магнитной ленты (НМЛ) win
блоком преобразования данных (БПД) устройства ЕС-5071 в автономном
режиме. При этом информация, поступающая в БУМ, должна быть в виде
инкрементальных кодов, при которых задаются перемещения пишущим
устройствам на один элементарный шаг, что необходимо при вычерчивании
кривых сложной формы.
Ввод информации в БУ может выполняться непосредственно через
интерфейс системной шины от ЭВМ или с помощью перфоленты и фото-
считывающего устройства FS-1501. Входная информация может
обеспечивать режим работы в приращениях, т. е. преобразование входной
информации в унитарный (последовательный) код происходит в процессе
линейной интерполяции над заданным отрезком, или задаваться в виде после-,
довательности инкрементальных кодов, которые с помощью дешифратора
инкрементальных кодов (ДИК) в блоках БУ (или БУМ) преобразуются
в унитарный код, поступающий после преобразования для управления
шаговыми двигателями ШД-Х и ШД-Y.
Блок сопряжения с каналом (БСК) осуществляет функции
подключения к каналу обмена информацией, формирует байт состояния и сигналы,
необходимые для управления работой фотосчитывающего устройства и
записи в буферное запоминающее устройство (БЗУ).
БЗУ емкостью 4 килобайта необходимо для согласования скоростей
приема информации и ее обработки в устройстве БУ,
Схема управления формирует последовательность импульсов с
характерным распределением во времени и обеспечивает последовательное
выполнение элементарных действий, составляющих очередную команду,
а также выполнение арифметических и логических операций,
реализующих алгоритм обработки информации.
149
OmFS-1501
Ос
От
интерфейса
SCK
Схема
управления
БЗУ
ДПУ
Линейный
интерполятор
ДИК
От { С-7050
им 6ПД
Блокулрабления
манипулятором
(БУМ)
ДИК
Генераторуправляемой
wi/поть/
Анализатор
Пульт
инженера f ЛИ)
Схема
выборки
Схема
управления &ЛУ
блок
управления (?</)
Усилитель
блока пишущих
ушрапгтё
Схема
синхронизации
Схема
дробления шага
Коммутатор
к БПУ
КЩД-У
Усилитель
Тактовый
генератор
Схема син-
хронизации
Панель опера
тора (ПО)
Графолострои
тель
Схема дрод-
ленияшага
Коммутатор
hfc
Усилитель
«ЩД-Х
Рис. 55. Типовая структурная схема системы управления графопостроителем
Принцип действия линейного интерполятора основан на вычислении
оценочной функции, характеризующей величину и направление отклонения
действительной траектории движения пишущего устройства от идеальной,
соответствующей заданному закону. Знак отклонения определяет выбор
исправления очередного элементарного перемещения, компенсирующего
¦по отклонение.
Генератор управляемой частоты служит для изменения скорости
вычерчивания. Он управляется специальной схемой, анализирующей величины
приращений и фиксирующей начало тормозного пути. Анализатор своими
иыходными сигналами обеспечивает плавный разгон при движении от
очередной узловой (опорной) точки графика и плавное торможение при
подходе к заданной точке. Малые отрезки графика вычерчиваются на малой
скорости, т. е. без разгона, большие — с разгоном среднего или верхнего
течения скорости. Величины приращений, характеризующие отрезки,
иычерчиваемые с разгоном, выбираются исходя из динамики двухкоорди-
iNiTiioro манипулятора перемещений.
Схема управления пишущими устройствами формирует сигналы для
управления ПУ и обеспечивает работу при программируемом
переключении ПУ (ДПУ — дешифратор устройств).
Схема выборки позволяет выводить некоторые выходные коды узлов
манипуляторов на индикаторную панель пульта инженера (ПИ), а также
через БСКв требуемые линии связи.
На панель инженерного пульта выведена индикация состояний
графопостроителя, облегчающая процесс поиска неисправностей и наладку. ЛИ
позволяет выполнять „пошаговый" контроль за работой электронной
чести графопостроителя. Кроме ПИ предусмотрена панель оператора
(техника) ПО, с которой производится включение и выключение
манипуляторов перемещений по осям абсцисс и ординат, установка ПУ в любую
точку рабочего поля, включение и выключение вакуум-присоса крепления
носителя информации. Алгоритм поиска неисправностей с использованием
пульта инженера (ПИ) и панели оператора (ПО) графопостроителей,
раскройных агрегатов с ЧПУ, швейных машин с ЧПУ и вышивальных
автоматов с электронным управлением приведен на рис. 56.
Блок управления манипулятором (см. рис. 55) содержит два
симметричных канала для формирования и усиления сигналов, управляющих
шаговыми двигателями ШД-Х и ШД-Y. При этом каждый канал состоит
из схемы синхронизации, схемы дробления шага, коммутаторов и
усилителей.
Схема синхронизации предназначена для формирования
синхроимпульсов. Схема дробления шага обеспечивает получение промежуточных
положений шагового двигателя, расположенных внутри основного шагового
интервала, который зависит от порядка коммутации обмоток и тока в
коммутаторных обмотках. При повороте ротора шагового двигателя на
угол 15° пишущее устройство перемещается на 0,005 мм.
Коммутаторы исполнительных каналов выбирают
последовательность коммутирования обмоток шагового двигателя в зависимости от
151
Устранить
ошибку
Нет
Да
Передать
устройство
оператору
Замечание
оператора
по ошибке
Инженерный
анализ
ошибки
Да уфа/иб/са\ ^ет
<Ъднаруженаг,
Пропустить
тест
программы
Да /Ошибка"\ Нет
^обнаружена'
Проверить
устройство
с помощью
пане/ru опера
тара
Пробери/ль
устройство,
используя па
нель инженера
Нет
Проверить
устройство,
используя па
нель инженера
и осциллограф
Нет
проверить
устройство,
используй jmu
таторкина
ла
Рис. 56. Типовая схема алгоритма поиска неисправностей двухкоординатных элек
тромеханических устройств с ЧПУ, применяемых в швейном производстве
необходимого направления перемещения пишущего устройства. На выходе
коммутаторов подключены усилители соответствующих шаговых двига-
и'лей.
При вводе информации графопостроителю необходимо сообщить не
ншько координаты узловых точек вычерчиваемого контура, но и последо-
магсльность соединения точек, а также указать, от какой точки при
переходе пишущего устройства в другую точку отключать или не отключать
соответствующее пишущее устройство. Необходимо также сообщить
устройству о цвете, ширине или типе вычерчиваемой линии. При использовании
шмериоляторов в графопостроителях решение заданных уравнений кривых
пи отдельных участках контура и уравнений, описывающих
прямолинейные участки, осуществляется аппаратным способом. Обычно при исполь-
юмании свободно программируемых микропроцессорных систем
управления задачи интерполирования выполняются путем, которым задаются
режимы интерполяции:
режим линейной интерполяции задает закон движения пишущего
устройства вдоль отрезков, координаты концов которых заданы соответ-
II иующими байтами данных при отработке соответствующего кадра
(участка) программы;
режим круговой интерполяции задает закон движения пишущего
устройства по дуге окружности, при этом указывается направление
перемещений по часовой или против часовой стрелки и другая информация.
Например, команда ДУГА Ц обеспечивает вычерчивание дуги, содержащей
целое число квадрантов, т. е. дуга начинается и заканчивается на осях
координат, проходящих через центр окружности. Для этой команды ука-
н.шается число квадрантов и радиус окружности. За начальную точку
дуги принимаются заданные координаты X и У текущего положения
пишущего устройства. Направление вычерчивания дуги и ее ориентация задаются
с помощью знаков приращения координат ЗнХ и ЗнУ для начального
квадранта вычерчиваемой дуги и признака Р = 0 при удалении пишущего
устройства от оси ординат и Р = 1 при его приближении к оси ординат.
Каждому типу информации соответствует свой код.
В отличие от информации, вычерчиваемой с помощью
графопостроителей, в АРМ имеются устройства вывода, дающие графическое
изображение, которое можно оперативно исправить или отредактировать, изменять
масштаб, поворачивать или перемещать отдельные отрезки, детали или
масти изображения. Это достигается при использовании в качестве
устройства отображения информации электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) или
других средств. ЭЛТ различают двух типов: без запоминания изображения
на экране, при котором устойчивое изображение поддерживается путем
его повторения (светимость люминофора уменьшается со временем по
жспоненте) от 25 до 50 раз в секунду по цифровому представлению этого
изображения в буферном запоминающем устройстве; с запоминанием
изображения, которое хранится на экране ЭЛТ в виде внутреннего
распределения зарядов, формирующих программируемое изображение в
алфавитно-цифровом или графическом коде.
153
Экран ¦
Экран
Система
выбода _
изображения
У
Дисплейный
I процессор
Память
(буфер
регенерации
изображения )
Система
Вывода
изображения
: о х -
Дисплейный
процессор
Рис. 57. Средства информирования на экране дисплеев графического отображения
с регенерацией изображения
В состав дисплея входит автономный специализированный процессор,
называемый дисплейным процессором {ДП), который освобождает
процессор базовой ЭВМ от задачи регенерации изображения и других
функций, выполняемых системой создания изображения. Изображение
реализуется ДП с помощью буфера регенерации, генератора векторов, регистра
и счетчика команд ДП. Дисплейный процессор может создавать
изображение путем произвольного (рис. 57, а) или растрового (рис. 57, б)
сканирования. В первом случае графическое изображение кодируется
командами, в которых используются координаты конечных точек векторов,
образующих контур. При растровом сканировании элементы графического
изображения кодируются совокупностью точек изображения, образующих
на экране ЭЛТ видимый контур графического изображения. Дисплеи,
построенные на этих двух принципах формирования изображения,
называются соответственно точечными и растровыми дисплеями, основное
различие которых заключается в организации памяти, хранящей координаты
точки изображения. В точечном дисплее точки, составляющие каждый эле'-
мент изображения, хранятся в памяти последовательно и рисуются в этом
же порядке при регенерации. В растровом дисплее буферное
запоминающее устройство выполнено в виде двухмерного массива, каждый элемент
которого хранит значение яркости и (или) соответствующей точки экрана
ЭЛТ и расположен на пересечении конкретного столбца и строки.
154
0+7
oooooooooooooooooo
ooiimiinini4H
OQ4 ООО ООЮ
~оо 1 оо oipc
offiiMiiiffTo
OOOOOOOOOOOOOOOOOO
a 5 6 г
I'm:. 58. Принципиальные схемы формирования изображений с помощью ЭЛТ
В системах с растровым (телевизионным) сканированием (рис. 58,
(/) электронный луч последовательно по строкам (как на печатающей
мипганке) прочерчивает экран, и в тех местах строк, где должны быть
ючки графического изображения, интенсивность луча программно
изменяется (модулируется) для появления различных уровней яркости или
свечения люминофора, покрывающего внутреннюю поверхность экрана
')ЛТ. При достижении правого края строки луч выключается и
переводится к левому краю следующей строки. После того как будут отработа-
вес строки кадра, луч возвращается в верхний левый угол. Растр
дисплеев, как и телевизионного изображения, составляет 525 строк.
На рис. 58, б показан контур 0-7 воротника мужской сорочки,
нарисованный системой с произвольным сканированием, при котором
регенерация изображения производится путем последовательного сканиро-
шшия контура. При растровом сканировании памяти изображение
регенерируется по строкам растра. На рис. 58, в показан пример цифрового
изображения контура воротника в буфере регенерации, а на рис. 58, г —
ма экране ЭЛТ, где каждому микроизображению в виде светящейся точки
па экране соответствует ,,1" в памяти буфера регенерации.
Способ растрового сканирования используется в машине ИЛ для
бесконтактного измерения площади лекал, где вместо одного электронного
луча для сканирования применяются четыре оптических луча,
сфокусированных оптической системой с четырьмя вращающимися объективами.
Кроме ЭЛТ, в устройствах отображения информации АРМ и других
системах автоматизации получили широкое применение газоиндикатор-
пые панели различных конструкций и способов возбуждения для вывода
визуальной информации, к которым относятся: индикаторные
газоразрядные матрицы; плазменные панели с самосканированием (например,
плазменный дисплей Электроника-15ИГ 256X256; газоразрядные панели
неременного тока и др.).
§ 8. АРМ для конструирования швейных изделий по индивидуальным
заказам в условиях массового промышленного производства
При массовом характере
изготовления предметов одежды на швейных предприятиях приобретение швейных
изделий в торговой сети производится индивидуально. Учесть все индиви-
155
п _
п-1 _
А±-
т ill—?.
ш -
л -
I -
<Ь
бя Банк сборочных
моделей единиц и деталей
унифицированных
±/
ИСР _
I Информация
о трехмерном
изображении
Мини-ЭВМ
СМ-Ц
-7
А-А
Рис. 59. Структурная схема АРМ Атлант
Системная шина см ЭВМ
Грашо-
ijnocmpou--I
II me/ib
Диалогобае
устройство ввода и норрек-
" тировки модели
j Средства расширения системы |
Раскройный
агрегате УПУ
Швейные
машины
сЧПУ
дуальные антропометрические признаки фигуры человека, необходимые
при конструировании одежды и индивидуальном изготовлении на
промышленных швейных предприятиях, возможно при применении способа и
устройства автоматического антропометрирования, известного также под
названием АТЛАНТ (автоматический тангенциальный ленточный антро-
метр). АТЛАНТ положен в основу универсального
программно-технологического комплекса ПТК-100, являющегося специализированным АРМ
для конструирования швейных изделий по индивидуальным заказам в
условиях промьшшеиного изготовления одежды.
В состав АРМ (рис..59) входит устройство для автоматического обмера
фигуры человека, мини-ЭВМ, графопостроитель и графический
видеотерминал с диалоговым устройством ввода и корректировки. АТЛАНТ со-
156
стоит из направляющих стоек 6 и ходовых винтов 5, кинематически свя-
мниых между собой, и кольцевой направляющей 2 радиусом R. Привод 7,
содержащий электродвигатель (ЭД) и редуктор, вращает ходовые винты
'> и гайки 5', свободно посаженные в направляющих кольцевой
направляющей 2, которая может перемещаться по вертикали. На кольцевой направ-
1П1КИЦСЙ смонтирована каретка 1 с лентоведущим блоком, служащим для
обкатывания вокруг фигуры человека (выпуклой оболочки 4 манекена,
рассматриваемой в прямоугольной системе координат XOY) натянутой
лепты 3. Источником информации об угл.е /3 между касательной, образо-
ишшой одной ветвью подвижной ленты 3, и радиальной линией, проходящей
через центр блока каретки 1, служит датчик угла |3 (на рис. 59 не показан),
который посредством интерфейса сопряжения датчика {ИСД) вводит
цифровую информацию в ЭВМ. Угол у определяет положение лентоведу-
mcio блока и функционально связан с углом /3. Кольцевая направляющая
конструктивно выполнена в виде короба со щелью для прохождения ленты.
Ииутри полости кольцевой направляющей находится лентоведущий блок
и датчик угла /3. Избыток или недостаток ленты 3 постоянно
компенсируемся дополнительным механизмом, обеспечивающим поддержание
постоянного натяжения ленты 3 для прижатия легкой одежды к телу
человека, находящегося внутри кольца ленты. Операции обхвата фигуры чело-
иска лентой и освобождения от ленты выполняются автоматическим
манипулятором, содержащим пальцы 1—6 (рис. 60) с индивидуально
программируемыми электромагнитными приводами по сигналу с выносного
пульта. Пальцы 1-6 удерживают ленту в исходном положении, срабаты-
АЬвГДЕШЗИКЛМА'
е
Рис. 60. Принципиальная схема работы манипулятора обхватывающей ленты
157
вают, а затем последовательно освобождают ее синхронно с движением
лентоведущего блока. На рис. 60, а лента находится снаружи всех пальцев
1—6, занимающих крайнее верхнее положение; на рис. 60,6, в изображены
промежуточные положения ленты; на рис. 60, г все пальцы находятся в
утопленном положении, а лента обхватывает только выпуклую оболочку
и ролики лентоведущего блока. На рис. 60, д, е в качестве примера
показано 12 положений ленты и 12 значений углов C, фав> $бв> <4>ВГ и т. д.,
которые затем отложены на оси абсцисс (рис. 60, е) для первого оборота
сечения / выпуклой оболочки. При втором обороте лентоведущего блока
будет выведена информация об углах C для следующего сечения // и т. д.
до п. Процесс измерения фигуры человека занимает около 2 мин. За это
время лента вращается вокруг фигуры человека по спиральной
траектории с частотой 100 мин~', при этом лента перемещается от уровня опорной
площади на высоту Н и возвращается в исходное положение. Объем
массива информации в виде цифровых данных в двоичном коде отсчетов угла
составляет до 3 тыс. измерений. Непосредственный результат измерения
фигуры человека — это массив чисел, которые являются функцией двух
переменных (см. рис. 59): у — угла поворота лентоведущего блока,
измеряемого датчиком положения каретки 1 и высотой Н, на
которой расположена кольцевая направляющая 2, т. е. |3 (у, Н). Этот
массив чисел, вводимый в ЭВМ, является информацией о
трехмерном графическом представлении фигуры человека. С помощью
специальных алгоритмов и прикладного математического обеспечения
этот массив чисел в виде косоугольной двухмерной системы
квантованных отсчетов (см. рис. 60, е) обрабатывается на ЭВМ,
входящей в состав АРМ, с помощью которого выполняются следующие
операции:
запись информации о фигуре и реквизитах заказчика на машинный
носитель;
ввод данных о виде модели и специальных требований к изделию в
диалоговом режиме;
машинное конструирование изделия заданной модели на основе
аналитических закономерностей, выявленных в процессе обучения ЭВМ с
учетом особенностей фигуры заказчика и дополнительных, инструкций о
непосадочных элементах изделия;
автоматизированная раскладка лекал на экране графического
видеотерминала;
вывод информации о конструкции изделия в различном виде
по заказу: выкройки в масштабе 1:1 на графопостроителе или в
уменьшенном масштабе, раскладки деталей кроя в уменьшенном,
масштабе;
вывод информации на перфоленте или другом носителе
информации с управляющей программой для раскройных агрегатов с
ЧПУ.
В режиме обучения АРМ работает с моделями, введенными из банков
данных на магнитных дисках или лентах.
158
§ 9. Устройства и системы программного управления
По одному из основных критериев -
тГжости перестройки различают четыре типа: систем и устройств про-
i раммного управления автоматизированным оборудованием швейного
производства, таких, как раскройные агрегаты с ЧПУ, вышивальные ав-
||>маты с электронным управлением, графопостроители, промышленные
рпГюты, швейные манипуляторы, цикловые и автоматизированные
швейные машины и полуавтоматы, цикловые, позиционные, контурные и по-
Эиционно-контурные или свободно программируемые. При выборе
соответствующих систем программного управления, серийно выпускаемых
отечественной промышленностью и поставляемых в нашу страну по линии
("Ш, можно руководствоваться техническими характеристиками систем
управления (табл. 6).
Для локального и группового управления механизмами цикловых
машин и агрегатов, манипуляторами с позиционированием по упорам или
дискретными перемещениями схвата ПР, которые широко применяются
дня загрузки-разгрузки технологических машин проходного типа
штучными деталями, а также для автоматического управления оборудованием
со сложными алгоритмами функционирования, например электроробо-
шгабелерами с подъемной платформой, возможно использование
надежных в работе и простых в обслуживании устройств и систем циклового
программного управления. Из этих устройств перспективной является ба-
твая модель системы управления типа УЦМ-100, выполненная на основе
И-разрядной микроЭВМ с микропроцессором на БИС типа КР580ИК80А.
Позиционные системы программного управления, используемые
и швейном производстве, обеспечивают автоматическое перемещение
стачиваемых деталей на швейных машинах с ЧПУ или схвата
манипулятора для погрузочно-разгрузочных работ в подготовительно-раскройных
цехах или для автоматической загрузки швейных машин и прессов ВТО
деталями кроя или сборочными единицами, при этом перемещение от
одной координаты к другой, заданное программой, происходит по
кратчайшей неконтролируемой траектории. Например, в швейной машине
с ЧПУ при микроперемещениях от одного стежка к другому
взаимодействия иглы с другим петлеобразующим рабочим инструментом не
производится и необходимо программно задавать координаты прокола иглой
для каждого стежка, которые всегда выполняются на швейных машинах
II автоматическом цикле. Это может быть реализовано с помошью
манипулятора, встроенного на швейной машине и содержащего один или два
дискретных привода с шаговыми электродвигателями.
В контурных системах программного управления также
программируются координаты каждого стежка и координаты опорных точек
контура, однако криволинейная траектория между координатами
опорных точек, находящихся на расстоянии г-го числа стежков, непрерывно
контролируется по программе путем интерполяции. При этом
поддерживается заданная скорость перемещения объекта относительно рабочих
159
Табл. 6. Устройства программного управления промышленными роботами и манипуляторами
Система
управления
Тип
устройства
Принцип построения
и элементная база
Программоноситель
Число
управляемых
координат
(звеньев)
Объекты
управления
Масса, кг
Цикловая УС-3
УЦМ-10
УЦМ-30
УЦМ-663
ЭЦПУ-6030
УЦМ-100
(базовая
модель аг-
регатно-мо-
дульных
устройств)
Позицион- УПМ-331
ная
Пневматическое устройст- Путевые и концевые вы-
во на элементах струйной ключатели
техники (СТ55, СТ56,
СТ59)
Модульная конструкция. Монтажные переключа-
Микросхемы К155 и дис- гели на коммутацион-
кретные компоненты пых полях
Микропрограммируемый Интегральное ОЗУ
автомат по типу „жесткой
логики"
Микропрограммируемый Интегральное ОЗУ
автомат. Микросхемы
К155иК511
Синхронный программный Два наборных поля по
автомат с жестким цик- 30 многопозиционных
лом управления. Микро- десятичных плоских
несхемы и дискретные ком- реключателей
поненты
Микровыключатель на ОЗУ 1 м кбайт
базе микропроцессорного
комплектора КР580
Синхронный микропро- ОЗУ на 100 кадров. Кас-
граммный автомат с жест- сетный накопитель МЛ
ким циклом. Микросхе- на 600 кбит
мы К155
Манипулятор
2 До 5 манипуляторов и 20
вспомогательное
оборудование
7 ПР Циклон-ЗБ, ПР Не более
Ритм-2-01 и др. 100
Не более 8 Манипуляторы и обору- Не более
дование со сложными ал- 100
горитмами управления
6 Манипуляторы МП-9С Не более
и др. 30
64 выхода и ПР, станки с ЧПУ и цик- 93
96 входов ловые манипуляторы
Манипуляторы с дискрет- 400
ным приводом на ШД
типа ШД-5Д1М-УЗ
Позиционная
УПМ-7 72
Контурная УКМ-552
УКМ-772
Микропрограммный зб- ОЗУ на ; С j кл^рсз. tvi;
томат с жестким циклом сетный накопитель МЛ
управления. Микросхемы (Искра-005-33) на 600
К155 и дискретные ком- кбит
поненты
Свободно программируе- ОЗУ 40 кбайт
мый автомат на базе мик-
роЭВМ Элсктроника-60
То же ОЗУ 40 кбайт
7 Wi^.xrr- .тлторы ^о ~~.?гл-
щим приводом подач >¦:
цвухотсчетными
вращающимися
трансформаторами СКТЛ-645Д
Не более 6 Окрасочный
манипулятор
7 Сварочный манипулятор
со следящим приводом и
измерительной системой
на кодовых датчиках
положения
300
300
Позиционно-
контурная
(свободно
программируемая
типа CNC)
Н22-Ш
Н55-1
2М-43
2Р-32 и
2С-85
2У-32
CNC-H6Q0
(ГДР)
IRS-650
Интерполятор.
Микросхемы К155
Специальная микроЭВМ
МикроЭВМ Электроника-
60
То же
МикроЭВМ Электроника
НЦ
Две микроЭВМ
Перфолента
Перфолента ' ,
ЗУ-56 кбайт,
накопитель МЛ или НМГД
ППЗУ до 32 кбайт.
ОЗУ 1 кбайт
ОЗУ 8 кбайт и иерфолен-Не
та
ОЗУ типа RAM на 2 или
8 кбайт ПЗУ типа
EPROM
МикроЭВМ К1520 на мик-То же
ропроцессоре 880
2
5
2
3 или 4
более 3
3
2 6
Токарные станки с ЧПУ
Автоматический
манипулятор с дискретным
приводом на ШД-5ДШ-УЗ и
станки с ЧПУ
Лазерные станки с
дискретным приводом
Станки с ЧПУ и
обрабатывающие центры
Станки со следящим
приводом подач
Станки с ЧПУ
ПР типа IR-10, IR-60 и
др.
Не более
500
600
200
Не более
200
Не более
300
-
инструментов (схвата) или рабочих инструментов относительно машиньТ
(обрабатываемого полуфабриката). Цифровой интерполятор представляет
собой вычислительное устройство дискретного действия, исходные данные
для которого имеются в виде кода чисел, а выходные данные — в виде
серий дискретных электрических сигналов, каждый из которых вызывает
элементарное микроиеремещение рабочего органа управляемого объекта
по оси координат, а совокупность таких перемещений в определенном
интервале реализуется в соответствии с заданным законом перемещения^
определяемого выбранным методом аппроксимации контура.
Использование для автоматизации" технологического оборудования
встроенных микропроцессорных систем программного управления или
микроЭВМ позволяет реализовать функции, ранее выполняемые
интерполятором, т. е. интерполяцию траектории рабочих инструментов не
аппаратным, а программным способом. При этом отпадает необходимость в
разработке и изготовлении аппаратно-построенных интерполяторов и
традиционное разделение систем программного управления на позиционные
и контурные является уже условным, так как системы программного
управления, построенные на базе микропроцессорных средств, становятся
позиционно-контурными системами программного управления или
системами программного управления со свободным
программированием, называемыми еще системами программного управления тина CNC
(Computer Numerical Control). В системах управления типа CNC
традиционную перфоленту можно изготовлять не на универсальной ЭВМ, а на той
же микроЭВМ, которая используется дли программного управления
технологической машиной, станком, агрегатом или промышленным роботом.
Это существенное отличие систем управления типа CNC от систем
контурного управления, которые относятся к типу NC (Numerical Control), и
реализованных на интегральных микросхемах по тину „жесткой логики".
В устройствах, реализующих систему программного управления типа
CNC, для хранения управляющей программы вместо перфоленты можно
использовать программоносители на интегральных микросхемах,
входящих в состав памяти встроенных микропроцессорных систем,
микроконтроллеров или микроЭВМ. Это постоянные запоминающие устройства
[ПЗУ (ROM)*] с записанной по заказу пользователя управляющей
программой на заводе-изготовителе модулей ПЗУ. Вместо ПЗУ могут
использоваться программоносители, в которые управляющая программа
записывается самим разработчиком или пользователем микропроцессорной
системы управления с помощью различных способов и устройств,
называемых программаторами. К таким программоносителям относятся:
программируемое ПЗУ, обозначаемое ППЗУ (или PROM); электрически
перепрограммируемое ПЗУ, обозначаемое ЭППЗУ (или EPROM);
перепрограммируемое ПЗУ с неэлектрическим способом стирания старой
программы (например, ультрафиолетовым освещением) и обозначаемое
* Международное обозначение модулей памяти на интегральных схемах.
162 ¦
(ПИЗУ (или EPROM). Дчя хранения часто сменяемых (оперативных)
ii.iiini.ix, вводимых программным способом, например числа стежков или
ыкрепок при изменении технологической операции, выполняемой на
имн'йпой машине с ЧПУ или вышивальном автомате с электронным
укреплением, служит оперативное запоминающее устройство ОЗУ (или
А' 1/1/), в котором выполняются запись, временное хранение, считывание
и простое стирание информации.
ОЗУ имеет и другое наименование — запоминающее устройство с
произвольной выборкой информации ЗУПВ.
Примером применения устройств с ЧПУ типа NC в стачивающих по
контуру швейных машинах является система управления, используемая
и n;iювом ряде швейных агрегатов кл. UAN 2000 фирмы „Некки" (Ита-
И11Ч) и NCS-250 фирмы „Джуки" (Япония). Устройства ЧПУ типа CNC
(<•<» свободным программированием) применены в базовом ряде швейных
щ рогатов кл. UAN 2500 и имеют следующие преимущества перед
системами '///УтипаЖГ:
линейная и параболическая интерполяция на любой траектории
строчки обеспечивается программным способом, что уменьшает объем
управляющий программы, облегчает программирование и не требует разработки
И применения интерполяторов;
возможность содержания до 8 модулей ЭНПЗУ, каждый из которых
импочает 4—5 программ. Всего в системе CNC ряда UAN-2500 швейные
Мишины могут выполнять 32—45 программ пошива;
независимое программирование скорости подачи стачиваемых деталей
От шагового электродвигателя;
возможность расчета скорости перемещения материала и скорости
пошива в любой момент времени в зависимости от траектории строчки
(шва);
возможность реализации масштабных изменений контура строчки
(>л а го даря симметричным приращениям координат опорных точек
профиля контура.
Используемый тип микроЭВМ во встроенных системах определяет
возможность сопряжения систем программного управления с другими
микроЭВМ и ЭВМ верхнего уровня для построения группового
управления автоматизированного оборудования с ЧПУ, промышленными
роботами и манипуляторами при создании гибких производственных участков
и систем. Например, устройства программного управления тина УЦМ-100
(СССР) и IRS-65O (ГДР) программно-совместимы с микроЭВМ СМ-1800,
а системы управления на базе микроЭВМ Электроника-бОМ,
Электроника 1Щ, а также Электроника Н.МС.111.00.1, применяемые в АСУ
технологическими процессами, программно-совместимы с мини-ЭВМ Электро-
пика-100-25, Электроника-79, СМ-4 и другими мини-ЭВМ, имеющими
архитектуру СМ ЭВМ типа PDP-11.
Тип микропроцессора определяет и систему используемых команд,
на основе которой разрабатывается программное обеспечение для
встроенной микропроцессорной системы управления.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ И ПРОЦЕССОВ
ШВЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Г' Л А В А 6
АВТОМАТИЗАЦИЯ И КОМПЛЕКСНАЯ МЕХАНИЗАЦИЯ
ПОДГОТОВИТЕЛЬНО-РАСКРОЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
КАК ОСНОВА ДЛЯ ПОДГОТОВКИ И РЕАЛИЗАЦИИ
РОБОТИЗАЦИИ И ГИБКИХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ
В ШВЕЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Характерной особенностью
современного оборудования для погрузочно-разгрузочных и транспортных
работ в подготовительно-раскройном производстве швейных фабрик
является комплексный подход к автоматизации на основе средств
вычислительной техники с целью оптимизации режимов работы используемых средств
механизации и автоматизации ручного труда и оперативного хранения
и обработки больших массивов информации о наличии и движении
текстильных и других материалов на участках: склад •-¦ подготовительный
участок — раскройный цех и склад фурнитуры — заготовительный участок.
Например, если на складе неразбракованной или разбракованной ткани
используется штабелерно-стеллажный способ поштучного или партионного
хранения тканей верха, подкладки и прикладных материалов, то оператору
необходимо в своей памяти постоянно хранить и обновлять по мере
расхода и поступления новых партий материалов всю информацию об
имеющихся запасах и распределенных рулонах материала во множестве ячеек-
адресов многоярусных стеллажей, а также помнить, какие из них
свободные. Кроме того, при использовании штабелеров с подъемной
платформой оператор выполняет функции средств вычислительной техники,
оптимизируя при управлении штабелером путь и время загрузки — выгрузки
соответствующих ячеек-адресов. Таким образом, только по
подготовительному участку или цеху человеку необходимо хранить и постоянно
обрабатывать большие массивы переменной и оперативной информации, с
которой оператор справляется без использования средств
вычислительной техники только потому, что применяет следующие
специфические приемы организации учета и хранения основных и прикладных
материалов:
в близлежащих ячейках-адресах, в которых всегда видны торцы
рулонов, ткани подбираются различных артикулов, но близкие по цвету,
при этом человек способен в отличие от ЭВМ быстро визуально
ориентироваться в большом массиве одновременно воспринимаемых
разнооттеночных цветовых пятен. Для этого ему достаточно взглянуть и визуально
проинтегрировать по площади все множество расцветок тканей и в
результате почти мгновенно определить ту область массива, где находится
требуемая партия, а значит, и рулон ткани;
164 v
при организации подготовительных участков в подвальных
помещениях, где потолки низкие, штабелеры с подъемной платформой не исполь-
луются, так как верхний ряд ячеек-адресов находится на высоте поднятых
рук оператора или свободно свисаемые торцы рулонов ткани из ячеек-
адресов перекрывают узкие межстеллажные проезды для штабелеров.
Вместе с тем использование средств вычислительной техники для
автоматизации оборудования в подготовительных цехах крупных производ-
> ственных швейных объединений и на предприятиях, построенных по типо-
iiiiiM проектам, является объективной необходимостью. Это позволяет,
кроме оптимизации режимов работы самого оборудования, хранить всю
информацию о динамике расхода и поступления тканей и других материа-
iu)B за длительный период времени и оперативно управлять этим
процессом, накапливать рациональные и экономически целесообразные запасы
материалов и выделять площади непроизводственных помещений под их
хранение, эффективно применять типовые погрузочно-разгрузочные и
транспортные системы машин и другие технические средства на складах
фурнитуры и готовых изделий.
Для этого необходимо руководствоваться следующим:
считать, что проблема гибкой комплексной автоматизации любых
подсистем швейного производства является не только чисто технической,
по и организационно-технической проблемой, в которой вместо
традиционной структуры технология -> оборудование ->• организация
производства ->¦ управление будет организована и реализована такая структура
подготовки швейного производства к роботизации и реализации гибких
производственных систем: организация -> оборудование ->¦ технология ->
¦ управление;
выполнять технологическую подготовку швейного производства к
комплексной гибкой автоматизации на основе средств вычислительной
техники, предусматривающей: изучение и проектирование оптимальных
транспортных маршрутов и алгоритмов их реализации применительно
к конкретным швейным предприятиям и участкам; подготовку и
инженерное обеспечение рабочих мест, прежде всего швеи-мотористки;
разработку и реализацию инженерных требований к конструкции
швейных изделий, учитывающих возможности автоматизации оборудования
для раскроя, сборки на швейных машинах и увеличение доли операций
формирования на оборудовании для ВТО; унификацию кодирования
и описания контуров лекал и чертежей деталей одежды по безбумажной
технологии и использование унифицированной информации на
перфолентах, магнитных лентах или других носителях для технических средств,
применяемых на различных этапах швейного производства, а именно
и экспериментальных цехах для графопостроителей, в раскройных цехах
для раскройных агрегатов с ЧПУ и в швейных цехах для швейных машин
с ЧПУ и других машин с электронным управлением на основе
микропроцессорных средств и систем;
по возможности заимствовать и после реконструкции переносить
для работы в условиях швейного производства серийные промышленные
•165
роботы, манипуляторы и системы управления из других отраслей с учетом
специфики их взаимодействия с рулонами ткани, пачками деталей кроя,
одной или несколькими деталями кроя, сборочными единицами (узел
швейного изделия), готовым швейным изделием, нитками, стежками,
строчками, швами и др. В этом случае остро ставится проблема
разработки высоконадежных специфических схватов и швейных
манипуляторов.
Рассмотрим в качестве примера требования, предъявляемые к
схватам манипуляторов подготовительного цеха, которые можно
устанавливать на штабелере с подъемной платформой, превращая их в электроробо-
штабелеры с подъемной платформой. При этом, если адрес ячейки для
хранения рулонных материалов необходимо запрограммировать но двум
координатам (горизонтальной и вертикальной) для автоматического
перемещения штабелера, для работы манипулятора требуется
запрограммировать координаты траектории охвата и координаты оси одного или
нескольких рулонов, находящихся в одной ячейке для захвата рулонов
с торца (например, путем введения рабочего инструмента схвата внутрь
рулона или обхватывания рулона снаружи без повреждения материала).
Однако координаты оси рулонов материалов не являются однозначно
определенными геометрическими величинами даже при использовании
твердых картонных цилиндрических вкладышей. Координаты оси
рулона деформируемого материала, находящегося на хранении в ячейке,
зависят от следующих переменных параметров:
массы рулона и артикула материала, определяющих деформацию
цилиндрического рулона под действием собственных сил тяжести и
зависимость этой деформации, а значит, и координат оси от сил упругости
действующих изнутри со стороны деформированных слоев материала;
ют числа верхних рулонов материала и конфигурации их укладки,
создающих суммарную нагрузку но вертикальной оси (координате) и
изменяющихся по мере отбора рулонов материала из ячейки или стеллажа.
Таким образом, кроме погрузочно-разгрузочных и транспортных
работ в подготовительных и раскройных цехах автоматизируются с
расширением областей применения современных средств
микропроцессорной техники и машин-автоматов следующие технологические операции:
измерение линейных размеров материалов по длине и ширине;
количественное определение некоторых пороков материалов с
использованием средств технического зрения;
расчет рулонных материалов на полотна требуемой длины с учетом
формирования высоты настила с помощью универсальных микроЭВМ,
реализующих те же алгоритмы расчета, что и ранее выпускаемые
промышленностью специализированные ЭВМ типа ЭМРТ-2 и Каштан;
измерение площади лекал бесконтактным способом на машине ИЛ;
печатание навесных торговых ярлыков с помощью автомата ПЯ-4;
автоматическое настилание материалов с использованием
информации о расчете рулонных материалов на полотна требуемой длины и
одно- и много плоскостных настилочных комплексов и агрегатов;
166
программированный раскрой материалов на раскройных агрегатах
с ЧПУ для поточного метода раскроя в одно полотно с использованием
нескольких одновременно работающих микроплазменных или газола-
¦юрных резаков, программно-управляемых для перемещения по
требуемому контуру раскладки лекал с помощью встроенной микроЭВМ
(например, типа Электроника-бОМ);
нумерация и подсчет деталей кроя в пачке с последующей
автоматической выдачей скомплектованных пачек кроя в швейные
цехи,
§ 1. Комплексная автоматизация подготовительного участка
швейных предприятий
Одним из основных условий
ритмичной работы предприятия является правильная организация работы
II комплексная гибкая автоматизация складов и подготовительного про-
п тодства.
Характер механизации складских операций, количество складов и вид
применяемых подъемно-транспортных технических средств зависят от
оГп.сма производства, уровня специализации, материально-технического
снабжения и других факторов. Несмотря на многообразие существующих
подъемно-транспортных средств, служащих основой для комплексной
;ппоматизации складских и подготовительных участков, назначение их —
уменьшить долю ручного труда при разгрузке и транспортировке
материалов, полуфабрикатов и фурнитуры на различных участках пгвейного
производства. .
Материал, поступающий на предприятие в контейнерах 1 (рис. 61)
ни автомашинах 2, перегружают с помощью настенных или стоечных по-
иоротных кранов 3 или электротельферов и электроталей 4 на
электротележку 5, которая доставляет контейнер на склад сырья, где затем
материал перегружают на поддоны и электропогрузчиком 6 доставляют на
многоярусные стеллажи 7. Если материал поступает на предприятия не
к контейнерах, а в кипах, то на электропогрузчик его грузят сразу из ав-
юмашины и доставляют на стеллажи неразбракованного материала,
откуда но мере надобности его подают к промерочно-разбраковочным комп-
нексам типа КРТ. Разбракованный и измеренный материал
укладывается на накопительную тележку 9 и подается в зону действия штабелера 10
с подъемной платформой или крана-штабелера 11, который доставляет
рулоны материала на участок хранения разбракованного сырья к соот-
метствуюшим секциям и ячейкам стеллажей 12. Функции транспортных
устройств 5, 6 и 8, управляемых и перемещаемых оператором, может
иыполнять электроробокар с программным управлением. Электроробо-
Kiip — это тележка с электроприводом, автоматически перемещаемая
но заданной трассе, с программными остановками, содержащая
программно-управляемый манипулятор для выполнения погрузочно-разгрузоч-
|Н,IX работ с помощью специализированного схвата. Функции погрузочно-
167
/ 2
\
Рис. 61. Пример комплексной механизации склада
разгрузочных устройств 10 и 11 могут выполнять электроштабелеры,
которые в отличие от электроробокаров могут перемещаться вместе с
грузом и манипулятором по вертикали.
Если в качестве погрузочно-разгрузочных и транспортных средств
в подготовительном производстве используют электроробокары и электро-
робоштабелеры, управляемые встроенными микроЭВМ или
централизованно от ЭВМ, то это пример комплексной гибкой автоматизации подкь
товительного участка швейных предприятий (схема 7) .
Механизированная или автоматизированная подача рулонов
материала от промерочно-разбраковочных комплексов и станков в зону
хранения, распределения рулонов по адресам с последующим вызовом и
выгрузкой требуемых рулонов может выполняться по-разному в
зависимости от применяемых технических средств и степени их автоматизации,
которые приведены в табл. 7.
Схема 7. Пример комплексной автоматизации
подготовительно-раскройного цеха с использованием ЭВМ
Автоматизированный склад раз
бракованного
материала
Артикул
Запросы населения
Способы раскроя
Настил
I Резак
Раскройный
агрегат с WW
программа раскроя
Раскройный
Лоёготовительнып цел
цех
168
|рья и подготовительного производства
Штабелер с подъемной платформой (рис. 62) конструктивно
выполнен в виде напольной самоходной рельсовой тележки с раздельным при-
подом подъема платформы и приводом хода тележки. Приводом подъема
Гибл. 7. Способы и средства комплексной механизации
участка хранения разбракованного материала
Способ
Назначение
Технические средства
ШиСелерно- Поштучное хранение рулонов мате-
i тсллажный риала на стационарных
полках-стеллажах с ручной или
механизированной загрузкой-разгрузкой рулонов
Партионное хранение рулонов
материала в ячейковых стеллажах
Поштучное и партионное хранение
в рольганговых стеллажах
!.)лспаторный Поштучное хранение рулонов
материалов в подвижных
ячейках-люльках
Напольный штабелер с
подъемной платформой и
накопительной тележкой
Кран-штабелер с кнопочным
дистанционным управлением,
сопровождаемый оператором в
зону хранения материалов
Загрузочные и разгрузочные
напольные штабелеры с
подъемной платформой и програм-
ным управлением с пульта,
злекгроробокары и олектроро-
боштабелеры
Люлечный многоярусный
элеватор с программным
управлением и автоматической
загрузкой-выгрузкой
служит электроталь, а привод хода
тележки состоит из реверсивного
электродвигателя, редуктора, ценной пере-
дичи и фрикционной муфты.
Электропитание подается кабелем-шлейфом.
При партионном хранении
материала, кроя или готовой
продукции подъемно-транспортным
устройством служит кран-штабелер,
который монтируется на монорельсе, про-
Рис. 62. Штабелер с подъемной платформой:
/ — привод; 2 — стеллажи; 3 -
электрокабель; 4 — подъемная платформа
7- 786
169
ложенном на потолке между стеллажами или на рельсовых путях (над)
стеллажами). Управление краном-штабелером аналогично управлению;
электротельфером. Оператор с помощью кнопочного переносного пульта;
управления задает перемещение крану-штабелеру вперед-назад, а виль-;
чатому подъемнику штабелера вверх-вниз. •
Применение штабелерно-стеллажного способа поштучного и парти-;
ошюго хранения материала с программным управлением от ЭВМ
характеризует наиболее высокий уровень комплексной автоматизации склада
ского хозяйства подготовительных участков. Программа движения но
данному адресу задается электроштабелеру с пульта оператора с помощью
перфокарты. Считывающее устройство электроштабелера с использованием
бесконтактных магнитных путевых и концевых выключателей
определяет адрес его движения по горизонтали и адрес подъема платформы с
материалом по вертикали. Съем рулонов материала с платформы
электроштабелера и загрузка соответствующей ячейки стеллажа производятся
пневматическим или электромагнитным толкателем. Выгрузка требуемых
рулонов материала происходит с противоположной стороны ячейки, куда
перемещается рулон на рольгангах. Для разгрузки используется второй
штабелер с подъемной платформой и автоматическим адресованием или
электроробоштабелер.
При элеваторном способе поштучного хранения рулонов
разбракованных материалов возможна автоматизация следующих
операций:
приема разбракованных рулонов материала с промерочно-разбрако-
вочных комплексов и отправка их с помощью транспортных роботов
по адресам, задаваемым программным способом;
загрузки рулона в свободную люльку элеватора и запоминание
адреса;
вызова требуемых рулонов материала, транспортируемых люльками
элеватора для комплектования расчета или последующего настилания
материалов.
При отправке рулонов на хранение в элеватор один экземпляр
паспорта .материала передается расчетчикам. Затем документация на рассчи-
* танные и подобранные рулоны передается на пульт управления элеватором,
с которого вызываются и автоматически транспортируются к месту
выдачи рулоны, вошедшие в расчет.
Электроробоштабелер (рис. 63,а) состоит из системы управления
(СУ), выполненной в виде встроенной микроЭВМ; модулей 1, 2, 3
поступательного перемещения, содержащих активные кинематические пары,
т. е. кинематические пиры, в которых ведущее звено имеет
исполнительный механизм, программно управляемый СУ, а ведомое звено
кинематически связано с другой активной кинематической нарой или схватом 4;
ограничительных концевых остановов 5 для предотвращения наезда на
человека или на какую-либо преграду в цехе; датчиков 6 и 9 пройденного
пути на трассе электроробоштабелера; датчика 8 пройденного пути вдоль
направляющей шины (привода) 7.
170
ч~\
I'm-. 63. Принципиальная схема электроро-
Гннитабелера (с) и траектории (Д в, г, д)
участков горизонтального и вертикального
перемещения манипулятора,
смонтированного на подъемной платформе электроро-
Оомггабелера
Модули поступательного
перемещения, схват и блок управления
образуют специализированный погрузоч-
по-разгрузочный манипулятор.
На участках 1 — 2 (рис. 63, б -г)
и 2 — 3 (рис. 63, д) траектории
выполняется программное горизонтальное
перемещение электроробоштабелера;
на участках 2-3 (см. рис. 63,6) и
J 4 (см. рис. 63, г) -
вертикальное перемещение платформы с
манипулятором и рулонами материала; на
участках 2 — 3 (см. рис. 63,б, г) и
/ 2 (см. рис. 63,C) — одновременно горизонтальное и вертикальное
перемещение. Угол а зависит от отношения программируемых скоростей
тризонтального и вертикального перемещений.
Манипулирование рулонами в зоне ячейки, а именно подъем,
ориентация относительно ячейки, загрузка в ячейку, возвращение схвата в
исходное положение осуществляется системой управления (СУ) путем про-
i раммирования траектории схвата и рулона относительно подъемной
платформы после отработки программного перемещения манипулятора элек-
i роробоштабелера к этой ячейке-адресу.
§2. Технические средства для разбраковки материалов
и автоматического измерения их линейных размеров
и площади лекал
Технические измерения линейных
размеров рулонных материалов (например, тканей) — это измерения,
iii.iполненные в производственных условиях на оборудовании различных
иидов с помощью технических средств, осуществляющих измерения с
погрешностью до ± 1 см.
Такие измерения производятся на швейных предприятиях повторно
после текстильных предприятий, где изготовлены материалы и где
требования к техническим измерениям не совпадают с требованиями, предъ-
ииляемыми к точности измерений линейных размеров материалов на
швейных предприятиях, на текстильных предприятиях, где измерение
длины материалов производится на промерочно-разбраковочных
станках с принудительной перемоткой измеренного материала в рулон, при
которой материал неизбежно деформируется и вытягивается, а показания
171
оказываются завышенными. На швейных предприятиях длину рулонов
материалов перед поступлением их в раскройный цех чаще всего
измеряют на трехметровых промерочных столах, когда материал находится в
свободном ненапряженном состоянии. Это не влияет на точность
изготовления деталей кроя и раскладки лекал, так как при настилании расчет
куска материала и реальная раскладка совпадают. При измерении длины
материала производится подсчет числа проставленных меловых отметок
на его поверхности. В целях улучшения качества швейных изделий и унЫ
фикации требований и технических средств для автоматизации измерения
линейных размеров материалов целесообразно, чтобы текстильные и
швейные предприятия были объединены на одной территории и все проблемы
автоматизации и качества продукции решались одним руководителем,
как это выполняется на трикотажно-швейных и кожевенно-обувных
предприятиях. В этом случае техническое измерение длины материалов не
производится дважды, не возникают дополнительные пороки на материал,
связанные с транспортировкой, требования к качеству на текстильных
предприятиях совпадают с требованиями швейников. Таким образом,
проблема унификации средств автоматизации измерения линейных раз-;
меров материала как частная задача общей проблемы унификации средств'
гибкой автоматизации подготовительного производства швейных пред-;
приятии и участка разбраковки и измерения готовой продукции на текс-!
тильных предприятиях является не чисто технической, а организационно-
технической проблемой автоматизации процессов и оборудования легкой
и текстильной отраслей промышленности.
Промерочно-разбраковочные станки различных конструкций
содержат следующие основные типовые устройства и механизмы (рис. 64):
1-6 - для принудительной размотки рулона материала; 9 - для
визуальной разбраковки материала, который в комплексах разбраковки типа
КРТ после операции разбраковки переводится из наклонного положения
в горизонтальное таким образом, что становится частью трехметрового
/4
Рис. 64. Кинематическая
схема промерочно-разбра-
ковочного станка типовой
конструкции •
172
примерочного стола; 10 — для автоматического измерения ширины
материала; 12 — для автоматического измерения' длины; 13 — 15 - для
уклады иания разбракованного материала в „книжку".
Устройство размотки материала служит для уменьшения его
деформации растяжения при автоматическом измерении длины. Это
достигается с помощью двух барабанов или валов 1 и 4 с индивидуальным при-
модом или приводом ПРС. Расстояние между осями вращения барабанов
определяется диаметром рулона 3 материала и углом обхвата
тангенциальных ремней 2, которые создают за счет фрикционных сил вращающий
момент для размотки рулона. Автоматическое поддержание постоянного
и.тгяжения материала на участке устройство размотки - ведущий бара-
ti;ni 13 осуществляется с помощью петли 6 из материала, которая
образуется между концевыми контактными или бесконтактными выключа-
юлями 5 и 5', находящимися в зоне промежуточной емкости 7. Размеры
петли из ткани зависят от угловых скоростей фз — рулона материала и
Ф/1 ведущего барабана 13. При этом ф^ является функцией момента
инерции рулона материала, зависящего от его диаметра, который
уменьшается по мере перемотки материала, поэтому величина петли 6
является выходным регулируемым параметром, а отношение угловых
скоростей Ф31Ф^ - управляемой величиной. Если Ф^~>Ф^, то размеры петли
унеличиваются и срабатывает концевой выключатель 5', если Ф^^Ф^,
то срабатывает выключатель 5. Всякое срабатывание концевых
выключателей является управляющей командой для останова или пуска электро-
диигателя индивидуального привода устройства размотки, управление
которым производится с помощью быстродействующих
электромагнитных муфт вращения и торможения по типу двухпозиционного регулиро-
маиия „включены - выключены".
Экран 9 с осветителем 11 служит для расправления и местного
освещения, необходимого для тщательной разбраковки полотна пороков.
От вала и барабана 13 материал получает движение вверх по экрану. Вал
инляется ведущим для кривошипно-коромыслового механизма 14
укладчика материала в „книжку" 16 с помощью раскладчика 15,
совершающего колебательные движения. Амплитуда раскладывания, или ширина
„книжки", зависит от соотношения звеньев кривошипно-коромыслового
механизма и положения шарнира 14 в пазу коромысла 14'.
Автоматическое измерение длины материала на станках ПС-1 произ-
иодится с помощью счетчика, кинематически связанного с передачей
транспортирующей лентой 12, содержащей иглы, взаимодействующие с
транспортируемым по экрану 9 материалом.
В станках типа ПРС-140 устройство для автоматического измерения
длины материала (рис. 65,а) состоит из двух фрикционных барабанов
2 и 7 , обтянутых сукном 3 и жестко смонтированных на валу 1. На этом
же валу в подшипниках смонтирован измерительный барабан 4 со
сменными полукольцами 6 и диском 8, имеющим 100 зубьев. Диск 8 вместе
с индукционной катушкой 10 образует индукционный импульсный датчик
173
/ 2 J
Рис. 65. Конструкция датчика для автоматического измерения длины материалов
на иромерочно-разбраковочных станках
угла поворота барабанов или длины материала, который электрически
связан с электронным счетчиком 9. Для повышения точности измерения
за счет уменьшения проскальзывания материала относительно
фрикционных 2 и 7 и измерительного 4 барабанов используются
электростатические заряды. Зарядное устройство заряжает материал в начале участка
зарядником и разрядником (рис. 65,6), а другое разрядное устройство,
противоположной полярности разряжает его в конце этого же участка.
Противоположным полюсом для заряженного участка материала
является заземленный барабан 4. Для зарядки материала электростатическим
зарядом и последующего снятия электростатического заряда служат за-
рядник 5 и разрядник 12 и высоковольтные генераторы 11 и 13,
включенные встречно. Измеряемый материал 14, транспортируемый
фрикционными барабанами 2 благодаря силам электростатического притяжения,
сообщает вращательное движение измерительному барабану 4 и диску
датчика. Каждый из 100 зубьев диска 8 индукционного датчика
индуцирует в катушке 10 ЭДС, т. е. вырабатывается один импульс напряжения,
который соответствует J0 мм материала. За один оборот этого диска
вырабатывается 100 импульсов, что соответствует 1 м измеренного
материала. Для уменьшения влияния толщины материала на погрешность
измерений полукольца 6 выполнены сменными.
Принцип автоматического измерения ширины материалов рассмотрим
на примере устройства с электромеханическим приводом следящих
фотоголовок / (рис. 66) и 2. Для этой же цели возможно использование
также фотонаборной линейки с неподвижными датчиками ширины,
имеющими дискретный выходной сигнал, код которого зависит от числа и
последовательности перекрытия фотоприемников (датчиков),
смонтированных с определенным шагом по краям иромерочного стола в
направлении, перпендикулярном направлению перемещения материала.
Фотоголовки 1 и 2 смонтированы на каретке с винтовым приводом,
винты 3 и 5 которого жестко соединены с электромагнитными муфтами
174
СД1 СД2
СДЗ СД4
Исчетчину
ширины
Гш\ 66. Схема автоматического устройства для измерения ширины материала на
панке с подвижными фотоэлектрическими следящими головками
'JMM1 и ЭММ4. Две шестерни приводного вала / постоянно находятся в
зацеплении с фрикционными дисками 3' и 5', которые занимают среднее
положение при обесточенных ЭММ1 -ЭММ4. При этом фотоголовки и
каретки неподвижны и счетчик ширины материала печатает через заданные
интервалы длины установленную среднюю постоянную ширину
материала. Разнонаправленное или однонаправленное вращение от дисков 3' и 5'
пинтами 3 и (или) 5 передается кареткам и дифференциалу 4, который
суммирует эти вращения и подает на счетчик ширины. Преобразование
вращения от приводного вала осуществляется с помощью промежуточных
налов // и III и набора зубчатых передач, которые автоматически
переключаются при срабатывании соответствующих электромагнитных муфт в
различном их сочетании. Команду на срабатывание соответствующей ЭММ
задает кромка материала, за положением которой следят фотодиоды
ФД1 - ФД4 и евстодиоды СД1 - СД4. Фотодиоды ФД1 и ФД2 следят за
левой кромкой материала, а ФДЗ и ФД4 - за правой. Концевые
выключатели ВК1 - ВК4 ограничивают крайние положения кареток при
работе станка.
При измерении ширины материала возникают различные
комбинации следующих типовых ситуаций взаимодействия фотодиодов с
соответствующими электромагнитными муфтами:
1. Ширина материала не изменяется и равна, например, 140 см. При
этом затемнены ФД2 и ФДЗ, ЭММ1 - ЭММ4 обесточены и каретки / и 2
175
неподвижны, счетчик 4 печатает через заданные интервалы ширину
материала, равную 140 см.
2. Ширина материала изменилась таким образом, что его левая кромка
сместилась влево при увеличении ширины полотна и вправо — при его
уменьшении. При этом оба фотодиода ФД1 и ФД2 или затемнятся
кромкой, или будут засвечены. При затемнении образуется следующая
кинематическая цепь передвижения каретки 1: главный вал / -* 5' ->¦ ЭММ1 -*¦
-»• каретка 1 -»¦ перемещение вправо, а при освещении ФД1 яФД2: главный
вал / -> 5' ->• ЭММ2 -> каретка 1 -» перемещение влево. Всякие перемещения
каретки 1 влево-вправо отражаются на показаниях счетчика 4,
воспринимающего разнонаправленные вращения винта 5 с помощью
дифференциального суммирующего механизма.
3. Увеличилась или уменьшилась ширина материала справа, и на эти
изменения отреагировала правая кромка полотна, которая задает
следующие перемещения каретке 2: главный вал / -* 3' -* ЭММ4 ->¦
каретка 2 -*¦ смещение влево или / -+ 3' -* ЭММЗ -> 2 -* смещение вправо.
Смещение кареток вправо или влево происходит до тех пор, пока устройство
автоматического измерения ширины не придет в положение,
соответствующее изложенному в п. 1.
4. Одновременно увеличилась или. уменьшилась ширина материала
таким образом, что на это изменение одновременно отреагировали кромки
справа и слева. В результате каретки 1 ж 2 начнут сближаться навстречу
друг другу или расходиться до положения, соответствующего ситуации,
изложенной в п. 1.
Таким образом, разнонаправленное или однонаправленное вращение
винтов 3 и 5 суммируется дифференциальным механизмом 4 и подается
на счетчик ширины, который через заданные интервалы длины печатает
данные о фактической ширине на участке измеряемого куска материала.
Применение для разбраковки и измерения линейных размеров
текстильных материалов комплексов разбраковки (КРТ) позволяет
повысить точность измерения длины и сокращает площадь, занимаемую проме-
рочно-разбраковочным станком и трехметровым нромерочным столом,
так как в КРТ конструктивно и функционально совмещены эти два
технических средства.
В машине типа ИЛ с электронным управлением используется
бесконтактный способ автоматического измерения площади лекал. Принцип
работы машины основан на фотоэлектрическом разделении площади лекала
на элементарные оптические площадки размером 1,5X2 мм с
последующим преобразованием их в электрические импульсы с помощью
фотоэлектронного умножителя и генератора импульсов. Машина ИЛ (рис. 67)
состоит из механического, оптического и электронного модулей, которые
кинематически, электрически и информационно связаны между собой.
Механический модуль б служит для преобразования вращательного
движения электродвигателя ЭД в соответствующее перемещение трех
ведомых звеньев и состоит из механизма привода на основе червячного
редуктора 3 для перемещения коробки 2 с подвижной прозрачной крыш-
176
'////////////////////77///,
I'm-. 67. Принципиальная схема машины ИЛ
кой 1, на которую укладываются лекала 11; оптического генератора
строчной развертки, выполненного в виде турели 7 с четырьмя объективами 8;
диска 4 индукционного генератора 5 импульсов.
Оптический модуль служит для разложения измеряемой площади
лекала на элементарные оптические площадки. Он состоит из осветителя
10, щелевой диафрагмы 9, турели 7 и фотоэлектронного умножителя
(ФЭУ).
Электронный модуль служит для генерирования синхроимпульсов,
суммирования их но двум каналам, преобразования их и подсчета. Он
состоит из генератора 5 импульсов, ячейки логического совпадения,
сумматора и электронного счетчика импульсов.
Рассмотрим на конкретном примере (рис. 68) принцип работы всех
модулей фотоэлектронной машины ИЛ. Для этого введем следующие
обозначения и выполним некоторые простые вычисления: Vn = 23,5 мм/с -
пикейная скорость продвижения крышки 1 с лекалом 77 (см. рис. 67);
х., = 23,5 X 60 = 1410 мм - путь, пройденный лекалом за 1 мин; п;1~
•'¦-«ад= 1410 мин — частота вращения диска (датчика) генератора 5
импульсов, равная частоте вращения ротора электродвигателя ЭД; z -
— 320 — число зубцов диска 4, возбуждающего ЭДС электромагнитной
177
5; -)ммг
Рис. 68. Пример измерения площади лекала на
шине ИЛ
индукции в катушке генератора 5 импульсов;'
/г.и = 1410 ¦ 320 : 60 = 7520 Гц - частота
генератора импульсов; ит = 235 мин - частота
вращения турели 7; /р — 235 • 4 = 940 строк в
минуту — частота строчной развертки; hB =
= 1414 : У-k) i,5 \iM iii.tcoi'ii п,\ш>льса по
вертикали или шаг между строками, которые
прочерчивает оптическая система с четырьмя
объективами; /к = 7520 X 60 :940 = 480
импульсов в минуту - частота кадровой
развертки; //=960 мм — ширина крышки /; 1ц =
= 960 : 480 = 2 мм - ширина импульса или
шаг развертки одной строки; 5/ = 1,5 ¦ 2 =
= 3 мм2 — площадь одного оптического-
элемента разложения площади лекала.
Каждый импульс генератора может быть
усилен и подсчитан в том случае, если
объектив <§ (см. рис. 67) в данный момент времени не освещен, т. е. ФЭУ работает
на затемнение, а электронный счетчик на выходе электронного модуля
просчитывает количество элементарных площадок ?,• (см. рис. 68),
затемненных непрозрачным лекалом при прохождении его над освещенной
щелевой диафрагмой 9 (см. рис. 67). В табл. 8 приведены наименования
каналов, характеристики и формы импульсов, проходящих по этим
каналам и контролируемых с помощью электронного осциллографа при
наладке машины ИЛ.
Для расчета кусков материала на настилы требуемых длин в
швейной промышленности раньше применялись специализированные ЭВМ
типа ЭМРТ-2 и типа Каштан. Однако в связи с изменением элементной
базы и применением микропроцессоров для построения микроЭВМ отпала
необходимость в специализированных ЭВМ, так как тот же алгоритм
расчета может быть реализован на универсальных микроЭВМ. Для
рассмотрения принципа реализации такого алгоритма введем следующие
обозначения: А - заданная длина куска разбракованного материала;
а1} а2, а3, а4, ¦¦¦, а,- — требуемые длины первого, второго и т. д. настилов,
соответствующие нормам расхода материала для швейного изделия
определенного размеророста; Хи Х2, Х3, ..., Xj — переменные, т. е. число раз,
которое помещается первый, второй и т. д. настил в длине А; 8 — длина
концевого остатка материала ткани при расчете.
Уравнение, связывающее эти данные, будет иметь вид:
А =
+агХ, +а3Х3
6.
Это уравнение решается методом переборки всевозможных ва-
178
I ;i П л. 8. Характеристика импульсных сигналов в каналах
шсктронного модуля машины ИЛ
Наименование канала
Or генератора импуль-
спн к ячейке
совпадении
Назначение сигнала
Серия импульсов,
соответствующих элементам разложения с
частотой/ги = 7520 Гц
Форма сигнала
-ШПШЪ
(h П.чока фотоумножи-
11-.¦>( к ячейке
совпадении
Нччд сумматора
Нчол счетного устрой-
i ша
Разрешающий (+) и запирающий
( —) сигналы при затемненном и
освещенном состоянии ФЭУ
Серия поэлементных импульсов
(для Sj = 3 мм2), промодулиро-
ванных темповым сигналом
строчной развертки
Выходной сигнал сумматора с
коэффициентом пересчета, равным 4
(по числу объектон турели)
П ПП,
ринитов, т. е. ЭВМ решает следующие системы алгебраических
уравнении A) C), соответствующие этапам работы алгоритма расчета:
Л а,X, Ф 0;
Л -а2Хг Ф 0; A)
.•1 -а2Х3 Ф0;
А - с4Х4 Ф 0;
А - (а1Х1 +а2Х2) Ф 0;
A - fa,Xt +a3X3) Фй;B)
A - (atX, +a4XJ Ф 0;
A - (a2X2 +a3X3) Ф 0;
A - (a2X2 +a4XJ Ф 0;
A - (a3X3 +atXJ Ф 0;
'A - (atX, +a2X2 +a3X3) Ф-0;
A - /а.Л:, +яДг +o4X4J ^0;C)
A - (a,X, +a3X3 +a4XJ Ф0,
г. е. на первом, втором, третьем и т. д. этапах расчета проверяется
равенство нулю всевозможных сочетаний длин настилов по одному, два, три
и т. д. Если в системе B) при проверке сочетания настилов по два
получилась комбинация из 2-го и 3-го настилов, при которой 6=0, счет
автоматически прекращается и ЭВМ выводит результат решения следующего
уравнения: А - а2Х2+ а3Х3 = 0, где Х2 и Хэ - это целые положительные
числа, которые могут принимать значения 0-39 и более. Это значит, что
и данный расчет в длине А помещаются целое число раз 2-й и 3-й настилы
jUiHHoft пг и из-
При расчете с учетом высоты настила или при 5 = 0, как в рассматри-
наемом выше случае, и ассортименте размероростов изделий, не
удовлетворяющем расчетчика, вруч1гую или автоматически вводят 5 = 1 см и
повторяют снова все возможные варианты переборки. При этом в правой части
уравнений будет не нуль, а единица. Основные этапы расчета будут
выполняться до тех пор, пока не получится требуемое сочетание настилов по
размероростам изделий при 6 -> min.
179
5W*^ 'РЛ^ ^WJ- W'W' 7/F?7* vf/ss ЯР/'S ^аУДЬ
виеватор
Рис. 69. Принципиальная схема настилочного агрегата ЛИК:
i — рулон настилаемого материала; 2 — отрезная концевая линейка; .? — машина для настилания; 4 — прижимная
линейка; 5 — полиспастиая тросовая передача; б — крышка стола, перемещаемая между участками /, II или /, III с настилом
и ///, // или ///, 7 без настила; 7 — тележка с подъемной платформой для подачи рассеченных частей настила с участка ///
к стационарным раскройным ленточным машинам
МикроЭВМ для расчета кусков материала на настилы требуемой
длимы автоматизирует трудоемкие операции расчета и оптимизации выбора
мутантов сочетаний настилов, что значительно экономит расход материа-
П(in при изготовлении одежды.
§ 3. Автоматизированные настилочные комплексы и машины
В раскройных цехах на участках
настилания и раскроя используют комш1ексно-универсальные бригады,
U которых те работницы, которые производят настилание материалов,
осуществляют и рассекание настилов на части. Особенно эффективна работа
Тиккх бригад при применении полуавтоматических настилочных
комплексом типа ПНК конструкции ЦСКТБ Укршвейпрома Минлегпрома УССР.
В отличие от агрегата АПК (рис. 69), в котором имеются участки
/ настилания, // накопления настилов и /// рассечения настилов, в
комплексе ПНК участки настилания и раскроя совмещены и отсутствует семи-
млоскостной накопитель настилов. Это одределяет различия в системе
организации труда при работе на агрегате АНК и комплексе ПНК
(агрегат рассчитан для прямого производственного потока с раздельным
выполнением операций настилания и раскроя, а комплекс — для работы
комплексными бригадами).
Полуавтоматический комплекс ПНК (рис. 70) предназначен для
машинного настилания материалов. В этот комплекс входят одноплоско-
Рис. 70. Общий вид полуавтоматического настилочного комплекса ПНК
181
стной настилочный стол 6, автоматизированная настилочная машина 3,
элеватор рулонов материалов 7, прижимная линейка 5 концов
настилаемых полотнищ 4, устройство для резки полотнищ / и электрический
кабель 2.
Настилочная машина, используемая в комплексе ПНК, аналогична
настилочной машине МНТ, но имеет ряд конструктивных
усовершенствований как в механической, так и электрической части.
Прижимная линейка служит для перехвата конца настилаемого
полотна и расфиксании его с настилочной кареткой (машиной) при возврате
ее в исходное положение.
Устройство для резки полотнищ выполнено в виде режущего
рубанка, который заточен с двух противоположных сторон, что исключает его
холостой ход при работе, как это происходит на отрезной линейке типа
ОПН. Это устройство монтируется в начале настилочного стола, и в нем
отсутствует механизм подъема рубанка, как в линейке ОПН.
Перед началом работы на комплексе ПНК необходимо выполнить
подготовительные операции, включающие в себя заправку элеватора
рулонными материалами и установку прижимной линейки на заданную
настилаемую длину полотна в соответствии с картой раскроя.
Заправка настилочной машины производится двумя настилыцицами.
Конец полотна 4 (рис. 71,а) из рулона 5, установленного в элеваторе,
укладывается на столике-платформе 3 до упора 6, установленного на
концевой отрезной линейке 1. Затем конец полотна зажимается в пазу
столика зажимом 2. Одновременно происходит подъем и опускание линейки /
для зажима ранее настеленного полотна (рис. 71,6). Настилочная машина
с зажатым по всей ширине материалом начинает перемещаться вдоль стола
вместе со столиком 3, который проходит над настилочной поверхностью-
(рис. 71,в).
Приблизившись к прижимной линейке, настилочная машина
автоматически переключается на движение с пониженной скоростью и, взаимс
действуя с упорами линейки, останавливается, а столик 3 с материалом
опускается на верхнее полотно настила (рис. 71, г).
Во время настилания материала настилыцицы следят за его подачей,:
и в случае необходимости настилочная машина может быть остановлена
в любом месте стола с помощью кнопки аварийного останова.
Перехват конца материала происходит автоматически после
перемещения столика 3 на заданную длину. Выполняется подъем и последующее
опускание прижима (рис. 11,д), в результате чего конец настила
попадает под прижим 7 прижимной концевой линейки (рис. 71, е). Затем
зажим 2 перемещается в крайнее верхнее положение и освобождает материал
на столике 3. Одновременно происходит опускание на материал
фиксирующего валика (рис. 1\,ж), кинематически связанного с программным
копирным диском (см. рис. 71, е).
Настилочная машина включается на реверсивное движение в
обратном направлении. При этом столик 3 перемещается вверх и расправляет
материал (см. рис. 71,ж). При обратном движении происходит автома-
182
I'm-. 71. Технологическая последовательность программного взаимодействия испол-
ишельных механизмов настилочного комплекса
шческое выравнивание материала по его правой кромке с помощью
механизма выравнивания, состоящего из фрикционных роликов,
установленных под углом относительно нитей основы материала. Фрикционные
ролики имеют электромагнитный привод, управляемый фотодатчиком
положения кромки.
В исходном крайнем положении настилочная машина автоматически
останавливается и столик 3 (рис. 71,з) опускается вниз на концевую
линейку и упор 6, положение которого определяется высотой настила. По
окончании автоматического цикла настилания, выравнивания кромки
и проверки настилыцицами качества настилания производится разрезание
материала заданной длины.
Для настилания следующего полотна из этого же рулона необходимо
снова вручную произвести заправку материала с учетом способа настилания
(,,лицом вниз" или „лицом к лицу") .
183
§ 4. Автоматизация процессов и оборудования для раскроя
Способы программированного
раскроя и рабочие инструменты. Автоматизация процессов раскроя основана
на использовании методов и технических средств программированного
раскроя, реализованных на раскройных агрегатах с ЧПУ при использовании
различных физических способов локального воздействия режущим
инструментом или средой (в виде струи или луча) по заданной линии контура
деталей кроя или раскладке контуров лекал (схема 8).
Классификация способов раскроя текстильных материалов.
Механические способы раскроя применяются для рассекания настила на части
и точного выкраивания деталей в пачки. Режущим инструментом в этом
случае является прямой или дисковый нож с электроприводом,
используемым в электрораскройных машинах, которые перемещаются вручную
относительно контура и неподвижного пастила, или лента-нож, применяемая
на стационарных раскройных ленточных машинах типа РЛ, на которых
пачка деталей кроя перемещается вручную относительно ножа с
горизонтальной скоростью Vr, а лента-нож перемещается в вертикальной плоскости со
скоростью V3= 20 м/с. При этом отношение скоростей VT/VB = 1/100.
Для раскроя материалов с пленочным покрытием, термопластических
и прорезиненных, скорость ножа регулируется в пределах VB =8 — 18 м/с.
Электроавтоматика раскройных ленточных машин обеспечивает
автоматический останов машин и захват ленты-ножа при его обрыве с помощью
электромагнитного фрикционного тормоза и двух электромагнитных
ловителей.
Схема 8. Классификация способов раскроя по типу воздействия
на раскраиваемые материалы и по типу перемещения режущего инструмента
относительно материала
Способы раскроя
Механические {кон-
тактмь/е)
1?ослес/обал7ельныи
Физические/бес/сом- ]_
/niiKms/ь/е) Г"
Параллельный
/1аралле/!ьно-после
дова/лель//ып
Ручными злек- ¦
•*| трораскройнь/
ми машинами
\8алхами\
Последовательный
Вырудка на
прессах
АКатками
(люиионирными
ленточнь'ми
машинами
Параллельный
\Лаэерныи\
Микроплаз
мен/гь/п
Гидромониторный
статическим раз -
рядом
184
Принцип работы бесконтактных способов раскроя основан на
использовании различных физических эффектов и организации раскроя
поточным методом в одно или несколько полотен одним или несколькими
рабочими инструментами, автоматически перемещаемыми по
программируемому контуру относительно материала. При этом может потребоваться
последующая дополнительная технологическая операция, связанная с
комплектованием деталей кроя в пачки для запуска их в швейный цех.
Программированный раскрой в настиле с использованием электрофизических
способов воздействия на материал часто затруднен из-за сваривания
срезов текстильных материалов, содержащих химические волокна, по
выкраиваемому контуру.
Параллельные способы обработки всегда более производительные,
но при использовании электростатического раскроя необходимо пред:
варительно последовательным способом нанести по контуру токопрово-
дящую „обмеловку" раскладки лекал,, поэтому суммарные затраты
времени могут возрасти.
Широкое применение в швейном производстве получили
параллельные способы раскроя резаками или резачными плитами, применяемыми
для выкраивания мелких деталей, таких, как клапаны карманов,
листочки, манжеты, хлястики, погоны, на раскройных гидропрессах типа ПГВ-8
и ПТГ-12, заимствованных из обувной и кожевенно-галантерейной
промышленности.
Резак представляет собой стальную ленту, изогнутую по контуру
выкраиваемых деталей. Принципиальные схемы механизированных
агрегатов для раскроя настила с помощью резачной плиты приведены на
рис. 72,а, а поточным методом с формированием настила из нескольких
рулонов материала и резаками, закрепленными на ударнике, — на рис.
12,6. В обоих случаях раскройные агрегаты состоят из трех участков,
на которых выполняются технологические операции, разделенные во
времени: / - формирования и (или) подачи настила; // - вырубки и III -
съема вырубленных деталей.
Способы раскроя с помощью катков, прижимающих настил к
резачной плите, и с помощью валиков, выполненных в виде барабанов с
резаками, закрепленными на цилиндрической поверхности, относятся к
параллельно-последовательному раскрою и в швейном производстве не
получили широкого применения.
Лазер — квантовый усилитель и генератор когерентного излучения
света. Рассмотрим упрощенный принцип работы лазера на основе
энергетических состояний атомов веществ. Известно, что атомы в веществе
(твердом, газообразном или жидком) находятся в состоянии, при
котором их энергия минимальна. При внешнем воздействии энергия атома
увеличивается и он переходит на очень короткое время в возбужденное
состояние, из которого может перейти в менее возбужденное состояние
или на нижний энергетический уровень ?\, излучая при таком переходе
квант электромагнитного излучения (фотон).
8-786 ¦ 185
Резачная
плита
Настип
У///////////.
Гидропресс
1/
Гидропресс
I Ш
7//////VW
Рис. 72. Принципиальные схемы механизированных агрегатов для раскроя настилов на вырубочных прессах
Фотон v) s
:, Ь±О
Фотон
Рис. 73. Схемы упрощенной энергетической модели работы лазера
Энергия кванта электромагнитного излучения, к которому
относится и световое излучение, Е = hv, где h — постоянная Планка, Дж-с; v —
частота излучения, которая для видимого спектра света составляет v =
- 1014 — 1015 Гц. Если есть система атомов, которая может находиться
па двух энергетических уровнях Е\ и Е2 (Ь2> Et), и переход атомов
из одного состояния в другое носит излучательный характер, то в этом
случае под действием электромагнитного поля, например света, атомы
из состояния Ei могут переходить в состояние Е2, поглощая фотоны (рис.
73,а). Атомы из состояния if2 могут самопроизвольно переходить в
состояние Е\, испуская при этом фотоны (рис. 73,6). Этот процесс называется
спонтанным, или самопроизвольным, излучением. При этом частоту
поглощенного или испускаемого системой излучения определяют по
формуле v - (Е2 - Et )/h. Если на возбужденный атом в состоянии Е2
падает дополнительный фотон, то возбужденный атом в этот момент
испускает фотон той же длины. Кроме того, атом переходит на нижний
энергетический уровень Ei и излучает еще один фотон (рис. 73,в). Этот
процесс называется вынужденным, или индивидуальным излучением.
Для раскроя текстильных материалов целесообразно применять
непрерывные газовые СО2 -лазеры, в которых в качестве активной среды
используется смесь, например, углекислого газа СО2, азота N2 и гелия
Не, возбуждаемых электрическим разрядом. Генерация индуцированного
излучения осуществляется возбужденными молекулами СО2, а азот и
гелий выполняют вспомогательную роль. Сущность газолазерного
разрезания заключается в совместном воздействии на текстильный материал
сфокусированного лазерного луча и струи газа, находящегося под
давлением. Такое воздействие осуществляется в микрозоне при
последовательном перемещении по программируемому контуру лазерного луча.
Кроме лазерного луча роль режущего инструмента может выполнять
микроплазменная струя. Микроплазма — это газ, ионизированный под
действием электрического поля при относительно небольших токе и
температуре.
Гидромониторный способ раскроя текстильных и других материалов
легкой промышленности основан на режущих свойствах тонкой струи
жидкости, например воды, выходящей из сопла под большим давлением.
В основу электростатического способа раскроя положен известный
физический эффект пробоя диэлектрика электрическим разрядом,
возникающим под действием разности потенциалов, приложенных к
обкладкам диэлектрика. Роль одной токопроводящей обкладки выполняет
графитовая линия контура выкраиваемой детали, предварительно нанесенная
на текстильный материал по лекалу. К обратной стороне раскраиваемого
материала подводят второй электрод. Он может быть в виде пластины.
При подаче разности потенциалов на графитовую линию и второй электрод
происходит пробой диэлектрика, т. е. материала по графитовой линии
контура выкраиваемой детали или комплекта деталей в раскладке.
Технические системы с ЧПУ для программируемого раскроя.
Раскройный агрегат с ЧПУ — это совокупность технических, аппаратных и ирограм-
187
,СОг-лазер
тл
Щ-Х
5
Система Ш
раскройным
агрегатом
Рис. 74. Принципиальные схемы'
программированного раскроя
текстильных материалов с
использованием двухкоординатно-
го манипулятора линейных
перемещений
мных средств двухкоординатного манипулятора линейных перемещений
оптического резака газового лазера (рис. 74,а), микроплазменной горелки
(рис. 74,6) или другого рабочего инструмента для разрезания
текстильных и других материалов по программируемому контуру, т. е. без
предварительной зарисовки раскладки лекал. Аппаратные и программные
средства имеют много общего с аналогичными средствами
графопостроителей (см. рис. 54), манипулятор которых перемещает по
программируемому контуру блок пишущих устройств. Технические средства
раскройных агрегатов с ЧПУ, будучи аналогичными по структуре техническим
средствам графопостроителей, имеют различную кинематическую связь
рабочего инструмента с исполнительными шаговыми приводами ШД-Х
и ШД-Y, которая определяет динамические свойства раскройных
агрегатов, учитываемые в управляющей программе.
Конструктивной особенностью раскройного агрегата с ЧПУ, в котором
в качестве рабочего инструмента используется оптический резак газового
лазера (см. рис. 74,а), является наличие системы направляющих зеркал,
188
из которых зеркала 9 — 16 использованы в самом СО2-лазере. Зеркала 7
и 8 служат для связи лазера с зеркалом б, смонтированным на подвижной
траверсе 2, которая перемещается по оси абсцисс на направляющих 1
раскройного стола 17. Каретка 3 служит для перемещения оптического
резака 4, содержащего наклонное зеркало 5 и объектив 5'. Каретка
смонтирована на направляющих траверсы и может перемещаться по оси
ординат, направляя лазерный луч перпендикулярно к поверхности
раскраиваемого настила. Образующиеся газообразные продукты деструкции
удаляются из перемещаемой микрозоны резания сквозь перфорированную
поверхность раскройного стола 17 системой вытяжной вентиляции
(отсоса).
В систему ЧПУ раскройным агрегатом входит управляющая мини-
или микроЭВМ, которая через системную машину СМ ЭВМ связана с
управляющим устройством ввода данных и управляющей программой. Ввод
управляющей программы может производиться также с помощью
внешнего осветителя устройства ввода (например, фотосчитывающего
устройства ФСУ, содержащего осветители ОС и фотодиоды ФД для считывания
информации с перфоленты). В блоке управления 18 приняты следующие
обозначения входящих в его состав устройств: БПД — блок
преобразования данных, включая дешифратор ДШ; КПУ-Х и КПУ-Y — каналы
преобразования и усиления сигналов для программного управления шаговыми
двигателями ШД-Х и ШД-Y.
При использовании в раскройном агрегате двухкоординатного
манипулятора линейных перемещений микроплазменной горелки 4 (рис. 74,6)
сборочные единицы (модули) 1 —3 имеют то же назначение, что и при
лазерном раскрое (см. рис. 74, а). В основе микроплазменного разрезания
лежит другой физический эффект, поэтому не требуется применения
системы зеркал.
Работу раскройных агрегатов с ЧПУ рассмотрим на примере
вырезания контура abcdef клапана 5 кармана мужского пиджака. Для
разрезания текстильного материала на участках аЪ и ей контура управляющая
информация вводится только в ШД-Х, при этом траверса 2 вместе с
неподвижной кареткой 3 перемещается по направляющим 1 раскройного
стола. Направление перемещения +Х или —X траверсы и его величина
определяются полярностью и числом управляющих импульсов на выходе
системы ЧПУ. Перемещение каретки 3 относительно неподвижной
траверсы 2 осуществляется программным способом на участках be и fa по оси
ординат в направлении +Y или —Y. На участках cd и е/ контура клапана
перемещение резака 4 производится при одновременном перемещении
траверсы 2 и каретки 3 по осям абсцисс и ординат, в результате чего
получается суммарное перемещение рабочего инструмента по
криволинейному контуру, который предварительно был аппроксимирован одним из
известных способов.
Таким образом, программированное перемещение резака при
последовательном разрезании участков контура ab, be, cd, de, ef, fa происходит
при перемещении траверсы и каретки в разных направлениях и различных
189
сочетаниях этих перемещений относительно текстильного материала по
требуемому контуру без участия человека. Программное обеспечение для
раскройных агрегатов, графопостроителей и швейных машин с ЧПУ
может быть унифицированным.
ГЛ АВ А 7
АВТОМАТИЗАЦИЯ ШВЕЙНЫХ МАШИН
§ 1. Автоматизация швейных машин общего назначения
Оснащение швейных машин
средствами локальной автоматизации и принятый в швейном
машиностроении базовый принцип разработки новых модификаций на конструктивно-
унифицированной базовой модели швейной машины является основой
для создания конструктивно-унифицированных рядов швейных машин
и полуавтоматов. В соответствии с новой классификацией, разработанной
ВНИИЛтекмашем совместно с ЦНИИШПом, модификация челночных
швейных машин конструктивно-унифицированного ряда в зависимости
от типа механизма продвижения материала, вида специализации и
наличия средств локальной автоматизации присвоены следующие смысловые
обозначения: первая цифра обозначает тип стежка по международному
стандарту; вторая цифра обозначает порядковый номер заводской
разработки; третья цифра - тип примененного в машине механизма
перемещения материала: 1 - зубчатая рейка; 2 - дифференциальный
механизм, содержащий две зубчатые рейки; 3 — зубчатая рейка и игла,
отклоняющаяся вдоль строчки; 4 — нижняя рейка и верхняя транспортирующая
и прижимная лапки; четвертая цифра указывает специализацию машины по
толщине прошиваемого пакета материалов или тяжести материала: 1 — для
легких материалов (платьевых, сорочечной группы); 2 — для материалов
средней поверхностной плотности (костюмной группы); 3 — для
материалов пальтовой группы и др.; пятая цифра — конструкцию механизма
обрезки; затем следуют цифры, указывающие тип автоматизированного
привода.
Например, машина 1597МЛК, оснащенная автоматизированным
приводом, механизмом обрезки ниток, исполнительными механизмами для
подъема прижимной лапки и для включения — выключения механизма
реверса при выполнении закрепок, в соответствии с новой
классификацией имеет обозначение: 31-31+50, где цифры имеют следующее
смысловое значение". 3 — машина челночного стежка; 1 — первая модификация
разработанной конструкции; 3 — перемещение стачиваемых деталей
осуществляется с помощью зубчатой рейки и иглы; 1 — для легких
материалов; 50- автоматизированный привод типа Квик-Ротан (ФРГ).
В табл. 9 приведены обозначения основных автоматизированных
быстроходных машин с горизонтальной осью челнока
конструктивно-унифицированных рядов на базе машин 1022М и 997М кл. Для надежной
работы средств автоматизации требуется периодическая проверка и юстировка
машины по параметрам, приведенным на рис. 75 и в табл. 10.
190
I 'а б л. 9. Основные автоматизированные быстроходные машины
конструктивно-унифицированного ряда
Обозначение класса
швейных машин
старое
новое
Средства автоматизации вспомогательных
ручных операций
для останова для об-
иглы в
заданном
положении
резки
ниток
для
включения
механизма
закрепки
нитки
для
подъема
лапки
0-1022МЛК 31.-11 + + + +
0-1022МСК 31-12 + + + +
0-1022МТК 31-13 + + ¦ + +
997МЛ 31-11-50 + + - +
997МС 31-12-50 + + - +
997МТ 31-13-50 + + - +
1697МЛ 31-21-50 + + - +
1697МС 31-22-50 + + - +
1597МЛ 31-31-50 + + - +
1597МС 31-32-50 + + - +
1597МТ 31-33-50 + + - +
1897МЛ 3141-50 + + - +
1897МС 31-42-50 + + - +
1897МТ 31-43-50 + + - +
997МЛК 31-11-100 + + + +
997МСК 31-12-100 + + + +
997МТК 31-13-100 + + + +
1597МЛК 31-31-100 + + + +
1597МСК 31-32-100 + + + +
1597МТК 31-33-100 + + + + .
1897МЛК 3141-100 + + + +
1897МСК 31-42-100 + + + +
1897МТК
3143-100
+
+
4-
Макси-
мальная
частота
вращения
главного вала,
мин4
5500
5000
4500
5500
5000
4000
5500
5000
5000
4500
4000
5000
4500
4000
5500
5000
4000
5000
4500
4000
5000
4500
4000
Примечание. Знаки „+" и ,,—" обозначают соответственно наличие и
отсутствие средств автоматизации в машине.
Автоматизация швейных машин, полуавтоматов и сборочных операций в нашей
стране и за рубежом развивается в следующих основных направлениях:
1. Позиционирование иглы вверху (внизу) : МПСУ асинхронным приводом;
МПСУ приводом постоянного тока; МПСУ шаговым приводом.
2. Обрезка ниток.
3. Подъем (опускание) прижимной лапки.
4. Выполнение закрепок в начале (конце) шва.
5. Регулирование скорости шитья в зависимости от температуры иглы.
6. Регулирование натяжения нити в зависимости от скорости пошива,
направления перемещения стачиваемых деталей, физико-механических свойств
текстильных материалов и трикотажных полотен, изменения толщины пакета или появления
локальных утолщений (швов, выполненных ранее) .
7. Загрузка швейных машин: фурнитурой, мелкими деталями кроя,
крупными деталями кроя, сборочными единицами и полуфабрикатами.
8. Ориентация и совмещение срезов деталей под иглу.
9. Управление режимами работы швейной машины голосом (на базе звуковых
процессоров).
10. Цифровая индикация режимов работы отдельных механизмов швейной
машины.
11. Самообучение швейных машин при изменении стачиваемых моделей.
191
12. Перемещение стачиваемых деталей по программируемому сложному
контуру (швейная машина с ЧПУ) .
13. Разработка заготовительных и сборочных швейных РТК.
14. Диагностика отказов и неисправностей МПСУ и швейной машины.
15. Контроль качества выполняемой технологической операции, работающий
в режиме реального времени процесса пошива.
16. Оценка влияния качества выполняемой технологической операции на
качество швейного изделия.
17. Контроль утомляемости швеи-мотористки.
18. Разработка систем подсказок режимов работы машины и прогнозирования
неполадок.
19. Снижение утомляемости визуального контроля процесса шитья и
переключение на слежение за контуром среза и строчки с помощью акустической обратной
связи (строчка — головные телефоны швеи-мотористки) .
20. Прогнозирование обрыва ниток.
21. Заправка ниток при их окончании или обрыве. \
22. Смена цвета ниток при выполнении вышивальных работ, сборочных работ,
отделочных строчек.
23. Цифровая электронная индикация взаимодействия рабочих инструментов
при работе швейной машины в режиме высоких скоростей.
24. Автоматическая настройка и регулировка кинематических параметров
механизмов при их работе без останова швейной машины.
25. Пространственное перемещение и регулировка малогабаритных шьющих
модулей для сборки изделий на манекене.
26. Смена шьющих модулей на швейном роботе по типу смены инструмента
на обрабатывающих центрах в гибких производственных моделях.
27. Использование технического зрения для организации внешней среды на
заготовительных и сборочных операциях швейного производства.
28. Использование сенсорных датчиков для автоматизации вспомогательных
приемов работы.
Общий ход иглы и радиус кривошипа для машин 0-1022МЛК,
0-1022МСК и 0-1022МТК, не вошедших в табл. 10, соответственно
составляют: 29 и 14,5 мм, 31 и 15,5 мм, 34 и 17 мм, т. е. совпадают с аналогичными
параметрами только для базовой машины и ее модификаций на основе
машины 31-11+50, а для модификаций машин 31-12+50 и 31-13+50 эти
конструктивные параметры механизма иглы отличаются друг от друга.
Таким образом, автоматизированные швейные машины общего
назначения переходят в группу специализированных швейных машин по
группам обрабатываемых материалов или изготовляемых изделий.
Дальнейшая автоматизация швейных машин связана со все большим
расширением функций встроенных микропроцессорных систем управления.
Механизмы иглы и зубчатой рейки, программно-управляемые при
работе швейной машины. В швейных машинах общего и специального
назначения, а также цикловых машинах-полуавтоматах для
синхронизации работы всех рабочих инструментов между собой в течение цикла
образования одного стежка или цикла выполнения технологической
операции используются в основном традиционная жесткая система управления
типа распределительный вал (РВ) и кулачковые механизмы, содержащие,
с одной стороны, ведущие звенья, закрепленные на главном валу, а с
другой стороны, несущие рабочий инструмент, перемещаемый по требуемой
траектории и в соответствии с заданным законом движения ведущего
звена с циклограммой работы других механизмов машины. Использова-
192
Рис. 75. Конструктивно-расчетные схемы
наладки иглы и челнока (а) и
наладки крииошиино-коромыслового и
ротационного механизмов нитенритягива-
телей (б, в); 1, 2, 3, 4 - заводское
обозначение котировочных отверстий
нис в качестве ведущих звеньев кулачков, копиров, эксцентриков
позволяет четко согласовывать (синхронизировать) взаимодействие
рабочих инструментов (иглы, челнока или петлителя, нитепритягивателя или
нитенодатчика, зубчатой рейки и др.) в установившихся и в переходных
режимах работы, т. е. при разгоне, переходе на другую скорость
выполнения технологической операции, включении механизма реверса и
торможении главного вала в конце выполненной строчки или закрепки.
Однако в процессе работы в таких машинах нельзя гибко автоматически
изменять длину стежка. Число запрограммированных проколов иглой,
отклоняющейся поперек строчки, ограничено размерами конирного диска
(жесткого программоносителя). Нельзя отключать одну или несколько
игл при выполнении отделочных строчек, невозможно выполнять строч-
193
Табл. 10. Наладочные параметры механизмов иглы, нитепритягивателя,
челнока и механизма перемещения материала, автоматизированных швейных машин
конструктивно-унифицированного ряда, используемые при настройке механизмов
автоматического останова, обрезки ниток, подъема лапки и выполнения закрепок
Тип
иглы
0052
0092
0319
И,
мм
29
32
35
Тип
механизма
ремещения
материала
Нижний
Игольный
Нижний
Игольный
Нижний
Игольный
г03,
мм
11,5
10,6
10,7
10,1
10,7
10,4
^03.
град
84,0
80,5
77
75
74,5
73
Z34>
ММ
17,5
18,4
21,3
21,9
24,3
24,6
1^34,
град
96,0
99,5
103
105
105,5
107
«1,
мм
3
3
5
5
7
7
«2-
мм
2,3
3,2
2,6
3,2
2,9
3,2
А,,
мм
5,8
5,8
5,8
5,8
5,8
5,8
К,
мм
0,8
0,8
0,8
0,8
0,8
0,8
z4S,
мм
1,7
1,7
1,9
1,9
2,1
2,1
Продолжение табл. 10
Тип
иглы
0052
0092
0319
Я,
мм
29
32
35
Тип
механизма
ремещения
материала
Нижний
Игольный
Нижний
Игольный
Нижний
Игольный
град
205,5
205,5
205,5
205,5
205,5
205,5
f,
мм
3,9
3,9
5,2
5,2
5,7
5,7
мм
18,5
18,5
23,5
23,5
27,6
27,6
^л>
мм
5
5
7
7
9
9
мм
8,75
7,85
10,45
9,85
12,05
11,75
ZC'
мм
0,56
27,3 (после НМТ
иглы)
0,48
30,1 (после НМТ
иглы)
0,29
32,9 (после НМТ
иглы)
град
18
205,5
16
205,5
12
205,5
Продолжение табл. 10
Тип
иглы
0052
0092
0319
Я,
мм
29
32
35
Тип
механизма
ремещения
материала
Нижний
Игольный
Нижний
Игольный
Нижний
Игольный
ВМТ
притягивателя
70° 21'
70° 2 Г
70° 15'
70° 15'
66°03'
66° 03'
Начало
потребления
нитки
иглой
99,5
96
96
94
94
93
Угол
останова,
град
75° 54'
71°56'
69° 24'
66°51'
66° 54'
65° 42'
1,
мм
6
6
6,7
6,7
7
7
В,
мм
11,5
11,5
10,5
10.5
9,55
9,55
L,
мм
55,5
55,5
59
59
63
63
194
Окончание табл. 10
Тип
Тип
механизма
ремещения
материала
Синхронность взаимодействия
иглы и рейки (^>с)
(см. рис. 75, б,в)
Корпус
Отв. 3
Отв. 4
Кривошип
Отв. 1
а,"
Отв. 2
а2,"
Петельный ход
(см. рис. 75, б, в)
Корпус
Отв. 4
".¦° .
Кривошип
Отв.^1
а,,°
0052
0092
0319
29
32
35
Нижний
Игольный
Нижний
Игольный
Нижний
Игольный
270
270
270
270
270
270
315,5
315,5
315,5
315,5
315,5
315,5
НО
ПО
ПО
ПО
ПО
ПО
252
252
254
254
258
258
315,5
315,5
315,5
315.5
315,5
315,5
ПО
ПО
ПО
ПО
ПО
по
Примечание. В табл. 10 использованы следующие обозначения:
H = z03 +z34 — перемещение острия иглы (ход иглы); z03 — расстояние от
верхней мертвой точки (ВМТ) иглы до поверхности стачиваемых материалов
(холостой ход иглы) ; <^03 — угол поворота главного вала при выполнении иглой
холостого хода; z34 — расстояние от поверхности стачиваемых материалов до нижнего
юложения острия иглы z34 = 6,+62+Л, +h2+ziS +f или рабочий ход иглы; \рм — угол
юворота главного вала при выполнении иглой рабочего хода на величину z34; 5,
и 62 — соответственно толщина пакета пошиваемых материалов и высота игольной
шастины; /г, — расстояние от нижней плоскости игольной пластины до нижней
поверхности носика челнока при нахождении его на оси иглы; h2 — величина
превышения носика челнока над верхней кромкой ушка иглы; z4S — перемещение иглы при
формировании петли-напуска (петельный ход) ; ?>45 — угол захвата петли-напуска
игольной нитки; / — расстояние между верхней кромкой ушка и острием иглы;
hK — расстояние от острия иглы до начала колбы; hn — высота подъема прижимной
лапки; /ги — расстояние от нижнего торца игловодителя до поверхности игольной
пластины; zc — расстояние от ВМТ иглы до ее положения в момент выстоя рейки
механизма перемещения материала в верхнем положении, который определяется
путем перемещения вручную рукоятки рычага реверса с прямого на обратный ход;
ipc — угол, соответствующий расстоянию zc (этот угол рассчитан на максимальную
для данной модификации швейной машины толщину пакета материала, при
меньшей толщине пакета на конкретной операции угол <^с может корректироваться в
сторону увеличения) ; / — расстояние между осями двойного коленчатого пальца; В —
зазор между шарнирной цилиндрической шпилькой оси качания коромысла и
внутренним коленом двойного коленчатого пальца кривошипно-коромыслового
механизма нитепритягивателя; L — ход глазка нитепритягивателя.
ки по контуру на расстоянии от края, большем, чем вылет рукава
машины, без смятия края стачиваемых деталей.
При оснащении промышленных швейных машин общего и
специального назначения исполнительными механизмами с электронным
управлением для локальной автоматизации отдельных механизмов или
рабочих инструментов возможно расширение области их применения при
одновременном резком сокращении вспомогательных приемов работы,
выполняемых вручную и связанных с технологическими
регулировками.
Автоматизация управления механизмами иглы развивается в
следующих основных направлениях:
195
использование индивидуального привода для автоматизации
выполнения строчек и швов с одновременным выкраиванием деталей по контуру
из материалов, подаваемых на швейную машину и из двух или более
рулонов материала. При этом модули иглы и нитепритягивателя
перемещаются над материалом и имеют индивидуальный привод, а модуль
челнока и зубчатой рейки со своим индивидуальным приводом синхронно
перемещается под материалом. Между верхним и нижним подвижными
модулями отсутствует традиционная стойка головки машины. Они
выполнены в виде отдельных корпусов;
автоматизация управления исполнительными механизмами
отклонения рамки 1 (рис. 76, а) игловодителя 2 в направлении,
перпендикулярном линии строчки (для получения зигзагообразных строчек со сложным
раппортом). При оснащении машин механизмами перемещения материала
по программируемому контуру возможно получение строчки по
контуру (рис. 76,6) или прямых строчек по контуру (рис. 76, в) в нужном
поле обработки;
автоматизация управления исполнительными механизмами для
отключения игловодителя или иглы на запрограммированных участках
строчки или шва (рис. 77).
Наиболее часто в качестве программируемых исполнительных
механизмов используют шаговые или линейные электродвигатели, а также
соленоиды постоянного тока или электромагнитные клапаны
пневматических исполнительных приводов.
Механизмы иглы с отключающимся игловодителем применяют в
одно-, двух- и многоигольных швейных машинах с электронным
управлением с целью расширения их функциональных возможностей (например,
при выполнении наметочных стежков увеличенной длины). В двухиголь-
ной машине 1852 кл. ПМЗ (или 803 кл. ПМЗ) одна или другая игла
отключается вручную в местах выполнения угловых строчек, где одна строи*
ка должна быть на несколько стежков длиннее другой. :
На рис. 77 в качестве примера приведены кинематические схемы
различных механизмов с автоматическим отключением игловодителя или;
иглы. Подпружиненная защелка 2 (рис. 77,а) шарнирно закреплена на'
верхнем поводке 3 игловодителя. Этот поводок неподвижно закреплен
на игловодителе. Нижний поводок 1 свободно посажен на игловодителе
и с помощью защелки 2 соединен с верхним поводком. При срабатывании
по команде микропроцессорного контроллера электромагнит ЭМ
поворачивает кулачок 4 на рычаге 6 против часовой стрелки таким образом,
что выступ 8 защелки при движении игловодителя находит на этот
кулачок. Защелка поворачивается на оси по часовой стрелке и
рассоединяет ранее сцепленные между собой верхний и нижний поводки. Игловоди-
тель под действием пружины 5 перемещается вместе с иглой в крайнее
верхнее положение, а поводок / продолжает скользить по игловодителю
при вращении главного вала машины / и кривошипа 7. Недостатком
рассмотренной конструкции механизма автоматического отключения
игловодителя является постоянно работающая на растяжение и сжатие пру-
196
Рис. 76. Кинематические
схемы механизмов иглы машин,
выполняющих
зигзагообразную строчку
Рис. 77. Кинематические схемы механизмов иглы с программируемым отключением
игловодителя:
а, б — с электромагнитной защелкой и отключением игловодителя от
удерживающей кинематической связи с нижней головкой шатуна механизма иглы; в — с
автоматическим поворотом оси иглы относительно оси игловодителя при выходе иглы
из материала и после выполнения запрограммированного числа стежков
жина 5 при взаимодействии петлеобразующих рабочих инструментов между
собой, нитками и стачиваемыми деталями. Этот недостаток отсутствует
в механизме, схема которого приведена на рис. 77,6 (обозначения
звеньев на рис. 77, б соответствуют обозначениям на рис. 77,а).
На рис. 77, в приведена схема механизма автоматического
отключения иглы, разработанного в КТИЛПе. Здесь ось иглы отклоняется от оси
игловодителя на угол а, когда игла выходит из материала и управляющая
команда подается на катушку исполнительного электромагнита ЭМ. При
срабатывании ЭМ на оси 2 поворачивается двухплечий рычаг-кулачок 1,
который одним концом соединен с сердечником электромагнита, а
другим воздействует на поводок. 7 нижней ломающейся части 6 игловодителя,
которая с помощью шарнира 5 и пружины 4 кинематически соединена
с основной частью игловодителя 3. Такая конструкция средств
автоматизации отключения иглы позволяет останавливать стачиваемые детали,
а не машину, если при отключении иглы над материалом одновременно
поднята прижимная лапка и выполнена автоматическая обрезка ниток.
Таким образом, игла кроме своего основного назначения может выполнять
функции автоматического останова швейной машины общего назначения
с фрикционным неавтоматизированным электроприводом.
Цифровое управление механизмами зубчатой рейки на швейных
машинах с электронным управлением реализуется по следующим основным
направлениям:
разработка и оснащение швейных машин с традиционным
механизмом транспорта с помощью зубчатой рейки и прижимной ланки, зубчатой
рейки и иглы, отклоняющейся вдоль строчки, зубчатой рейки и верхней,
перемещающей материал, зубчатой рейки и прижимной лапки
устройствами и исполнительными механизмами, позволяющими программно
изменять величину и направление перемещения материала при образовании
каждого стежка или их совокупности (рис. 78 и 19,а) ;
разработка механизмов транспортирования на базе зубчатой рейки
и прижимной лапки и на основе использования в качестве ведущего
звена кинематической цепи горизонтального перемещения зубчатой рейки
исполнительного механизма, программно-управляемого от
микропроцессорной системы (рис. 79, б).
На рис. 78,а и 79 в качестве программно-управляемых
исполнительных механизмов использованы шаговые электродвигатели ШД, которые
с помощью винтовой передачи, зубчатого сектора и кулисы передают
качательное перемещение коромыслу 3 (см. рис. 78, а) при регулировании
длины стежка и реверса (см. рис. 79,а), камню регулятора 3 длины стежка
199
Рис. 78. Кинематические схемы механизмов зубчатой рейки с программным
управлением длины стежка и реверсом
и реверса или cWh являются генераторами кинематического
возбуждения для горизонтального перемещения зубчатой рейки с помощью
звеньев 3 (рис. 19,6), 2;> вала III и переднего коромысла 4. В качестве
программно-управляемого исполнительного механизма (см. рис. 78,6)
применен линейный двигатель ЛД, обеспечивающий реверс и регулирование
длины стежка в зависимости от двоичного кода на его четырех обмотках.
Во всех рассмотренных программно-управляемых механизмах
зубчатой рейки звено 1 (см. рис. 78 и 79), выполненное в виде эксцентрика,
шшяется ведущим звеном кинематической цепи для подъема
(вертикального перемещения) зубчатой рейки, а звено 2 (кроме схемы на рис. 79,6)
н виде эксцентрика выполняет роль ведущего звена кинематической цепи
для горизонтального перемещения этой же зубчатой рейки. Штриховой
линией показана траектория среднего зуба рейки, а /г и /в —
соответственно переменная величина горизонтального и постоянная величина
вертикального перемещения рейки.
Автоматическая обрезка ниток на швейных машинах. В основу
принципа работы большинства технических средств для автоматической
обрезки ниток после окончания выполнения технологической операции
па швейной машине положен принцип резания по типу ножниц, когда
один нож закреплен на швейной головке неподвижно, а другой подвижно
и кинематически связан с исполнительным механизмом. Он совершает
прямолинейное или поворотное возвратно-поступательное движение по
одной из трех координат в горизонтальной, вертикальной или
фронтальной плоскости относительно платформы машины. Автоматическая
обрезка ниток обычно выполняется после выхода иглы из материала.
Подвижной нож может быть расположен над игольной пластиной и
смонтирован: за прижимной лапкой или в самой прижимной лапке, под
игольной пластиной или в самой игольной пластине. При этом концы ниток
располагаются соответственно с лицевой или изнаночной стороны
материала. Преимущественное применение получили механизмы и манипуляторы
для обрезки ниток с подвижным ножом, расположенным под игольной
пластиной. Они применяются на швейных машинах с горизонтальной осью
вращения челнока.
В отличие от механизмов обрезки ниток манипуляторы имеют
индивидуальный электромеханический привод подвижного ножа,
дистанционное в пределах прометала программное управление, прямые и обратные
электрические и информационные связи с главным валом и системой
управления, выполненные на интегральных микросхемах по тину
„жесткой логики" или на БИС микропроцессорных комплектов, образующих
программируемый микроконтроллер.
Рассмотрим конструктивные особенности и принцип работы
манипулятора для обрезки ниток, применяемого на автоматизированных
швейных машинах 0-1022МЛ(С, Т)К кл.,Оршанского ПО „Промшвеймаш",
в которых под платформой швейной головки свободно размещены
электромагнитный индивидуальный привод холостого хода ножа и передающие
ему движение короткие кинематические звенья. На рис. 80 приведена
'201
к инструктивная схема механизма-манипулятора для обрезки ниток. По-
качаны два характерных момента в крайних положениях подвижного
ножа 1: нож взведен и находится в крайнем левом положении, т. е.
отработан холостой ход ножа (рис. 80,а); нож выполнил рабочий ход и
разрезал нитки под игольной пластиной 3, при этом он переместился по
часовой стрелке в крайнее правое положение (рис. 80,6). В схеме на рис.
КО, а катушка электромагнита 10 находится под током и сердечник
втянут (или при подаче импульса напряжения в катушку сердечник кратко-
нременно втянут, а затем будет отпущен). В схеме на рис. 80,6
электромагнит 10 обесточен. Подвижной нож 1, имеющий лезвие, разводящий
и направляющий усы, а также направляющий наз, смонтирован на обойме 2
(см. рис. 80,а), свободно посаженной на челночном валу 2'. Неподвижный
нож 4 с режущей кромкой и отражателем 4', предотвращающим захват
направляющим усом ножа / короткой ветви петли игольной нитки,
смонтирован на платформе. Копир 6 с помощью винта 11 закреплен на конце
удлиненного вала б', кинематически связанного ременной передачей с
главным валом швейной машины. Четырехплечее коромысло 7 содержит
плечо 7', которое пружиной 8 соединено с электромагнитной защелкой 9;
плечо 7" коромысла в виде толкателя является включателем коромысла
и выполняет также механическую блокировку механизма обрезки ниток;
плечо 7'" коромысла шарнирно соединено с нижней головкой шатуна 5,
который вместе с обоймой 2 образует плоский четырехзвенный криво-
шипно-коромысловый механизм О\АВОг передачи движения
подвижному ножу 1; плечо 7"" коромысла выполнено в виде кулачка-толкателя.
Кроме рассмотренного широко применяются механизмы обрезки
ниток с двумя подвижными ножами.
Для предотвращения раскручивания шпульки челнока в момент
обрезки ниток могут дополнительно применяться прижимы с
индивидуальным электромагнитным или другим приводом. На цикловых
полуавтоматах однониточного цепного стежка повышение надежности обрезки ниток
обеспечивается за счет использования дополнительного прижима нитки
перед обрезкой с кинематическим приводом от кулачка копирнсго диска.
Для предотвращения выпадания конца игольной нитки из ушка иглы
после обрезки применяются различные отводчики нитки или ниток.
Отводчики могут быть в виде двуплечего рычага, в виде дополнительного
отводящего уса на подвижном ноже. Вместо режущей кромки ножа может
применяться струна-нагреватель, пережигающая нитку в конце
выполнения технологической операции.
Автоматическая обрезка ниток сокращает на каждой операции
затраты времени в 5 -7 раз по сравнению с затратами времени на обрезку ниток
вручную с помощью ножниц.
Рис. 79. Кинематические схемы механизмов зубчатой рейки с программным
управлением при работе швейной машины:
/ — главный вал машины; //, /// — промежуточные валы для передачи зубчатой
рейке вертикальных и горизонтальных перемещений
203
2 2 J
Рис. 80. Конструкция механизма-манипулятора для обрезки ниток базовой швейной
машины 0-1022МДК (МСК. МТК) кл. с челноком с горизонтальной осью
Техническое средство для автоматической обрезки ниток (рис. 80)
||,| швейной машине общего назначения с челноком с горизонтальной осью
работает в режиме холостого хода подвижного ножа как манипулятор,
действующий по команде микропрограммного устройства управления
автоматизированным приводом, а в режиме рабочего хода — как
механизм, срабатывающий от вращающегося копира, кинематически
связанного с главным валом машины. В дальнейшем, если хотя бы одна из
кинематических цепей воздействия технического средства автоматизации
технологической машины будет содержать типовые элементы манипулятора,
то такое средство автоматизации будем относить к
механизмам-манипуляторам. Сравнительная характеристика механизмов-манипуляторов для
автоматической обрезки ниток на швейных машинах приведена в табл. 11.
Г а б л. 11. Характеристика механизмов-манипуляторов для автоматической обрезки
ниток швейных машин конструктивно-унифицированных рядов
Технический параметр
Количество подвижных звеньев
Масса, кг
механизма-маиипулятора
электромагнитного привода
Количество ведущих звеньев (кулачков)
Количество электромагнитов
Потребляемая мощность, Вт
Расположение оси электромагнита
относительно платформы швейной головки
Число ножей (из них подвижные)
Количество упругих звеньев типа пружин
и тросов
Класс базовой швейной машины
0-1022МЛК (МСК,
МТК)
4
1,23
0,4
1
2
50,4
Параллельное
2A)
1
997МЛК (МСК, МТК),
1597МЛК (МСК, МТК),
1897МЛК (МСК, МТК)
16
2,26
1,5
2
1 -
42
Перпендикулярное
2B)
3
Работает манипулятор для обрезки ниток следующим образом. После
выполнения заданного числа стежков или шва требуемой длины при
нажатии человеком на педаль пяткой ноги электронная система управления
автоматизированным приводом швейной машины подает команду на
снижение частоты вращения главного вала до 180—200 мин, на малой
скорости пошива происходит останов главного вала в положении, когда игла
выходит из материала или находится в крайнем верхнем положении.
Одновременно подается команда на срабатывание электромагнита 10, который
втягивает свой сердечник, кинематически связанный с защелкой 9.
Защелка поворачивается на оси Оз по часовой стрелке на угол, достаточный для
выхода из паза 9' толкателя 7", который под действием пружины 8 вместе
с коромыслом 7 поворачивается на оси О2 также по часовой стрелке и
занимает положение, показанное на рис. 80, а. При этом происходит
следующее:
205
1. Поскольку копир 6 (см. рис. 80,а) вращается, кулачок /"
коромысла перемещается по участку ab рабочего профиля копира.
2. Шарнирный четырехзвенник О\АВО2 (см. рис. 80,6) изменяет
свое положение, поворачивает обойму 2 и закрепленный на ней подвижный
нож 1 против часовой стрелки в крайнее левое положение. При этом ус
1" ножа захватывает короткую ветвь (рис. 81,а) игольной петли,
проходящей за шпуледержателем, и после сброса петли с носика челнока
отводит ее в крайнее положение (рис. 81,6), создавая тем самым
необходимый запас нитки, чтобы ее конец после обрезки не вытягивался из ушка
иглы при образовании первого стежка в новом цикле работы машины.
3. При дальнейшем повороте копира 6 (см. рис. 80,а) кулачок 7""
коромысла попадает на рабочий профиль be копира и нож 7 начинает
поворачиваться по часовой стрелке к неподвижному ножу 4. При этом
направляющий ус (рис. 81, в) коромысла захватывает челночную нитку и
длинную ветвь игольной петли, которая уже обведена вокруг шпуледержателя.
4. Длинная ветвь игольной петли и ветвь челночной нитки
укладываются в паз 10 (рис. 81,г) направляющего уса ножа 1 (см. рис. 81,а), и в
этом пазу две нитки свободно проходят под режущей кромкой 12 (см.
рис. 81,6) неподвижного ножа<9.
5. Подвижной нож 7 продолжает перемещаться по часовой стрелке.
Нитки уложены в пазу 10 и соориентированы относительно двух режущих
кромок 9 и 12 и, когда к режущей кромке 12 ножа 8 подходит лезвие 9
подвижного ножа, они перерезаются. Это происходит при попадании
кулачка 7"" (см. рис. 80,с) на участок cd рабочего профиля копира 6.
6. При движении кулачка 7"" по профилю bed копира 6 толкатель
7" коромысла скользит по поверхности 9" защелки 9 электромагнита 10
сверху вниз и при обрезке ниток фиксируется в крайнем нижнем
положении в ее пазу 9', как показано на рис. 80,6. Цикл обрезки ниток
закончен, электромагнит 10 обесточен и готов к отработке следующей
команды. При работе машины копир 6 вращается и не взаимодействует с
толкателем /' коромысла, так как между ними устанавливается зазор,
равный 0,2 мм.
§ 2. Автоматизация электропривода швейных машин
Автоматизация швейных машин
общего и специального назначения заключается в автоматизации
электропривода (автоматизированный останов). Современный
автоматизированный останов швейных машин обеспечивает позиционирование иглы в
одном или двух положениях (вверху, над материалом или игольной
пластиной, и внизу, в материале, в зависимости от положения ножной
педали управления и настройки системы управления). Другими функциями
автоматизированного электропривода являются:
поддержание промежуточных стабильных значений частоты вращения
главного вала швейной машины, т. е. обеспечение различных устойчивых
206
Рис. 81. Характерные моменты взаимодействия подвижного ножа с неподвижным
ножом: _
/ - челночное устройство; 2 - палец шпуледержателя; 3 - разводящий ус; 4 -
лапка; 5 - игла; б - рейка; 7 - подвижной нож; 8 - неподвижный нож; У - лезвие
подвижного ножа; 10 - направляющий ус; 11 - направляющий паз; 12 - режущая
кромка неподвижного ножа
скоростных режимов пошива, зависящих от длины прямолинейных
участков строчек и швов и кривизны их контура;
снижение скорости на заключительном этапе выбега перед
торможением главного вала в требуемом положении;
выполнение и регулировка числа проколов при выполнении
закрепок в начале и в конце шва;
включение механизма обрезки ниток с электромагнитным или
пневматическим приводом подвижного ножа;
блокировка от ложного срабатывания других механизмов машины
при выполнении заданного алгоритма работы;
подъем и опускание прижимной лапки.
Автоматический останов иглы вверху необходим для применений
механизма автоматической обрезки ниток, так как в противном случае
могут произойти обрезка ниток и „обрезка" иглы, находящейся в
материале, что приведет к поломке подвижного ножа и иглы. При
позиционировании иглы в материале сокращается вспомогательное время на ручной
поворот главного вала для выполнения приема ,,перехват" и поворота
стачиваемых деталей относительно оси иглы при поднятой прижимной
лапке и последующего продолжения строчки под углом к предыдущему
участку контура.
В общем случае электроприводом называется совокупность
электродвигателя, средств передачи и редуцирования движения на главный вал
машины, системы управления, контроля и защиты, включая пульт
управления и средства отображения информации.
В автоматизированном электроприводе швейных машин с
электронным управлением могут использоваться асинхронный трехфазный
электродвигатель с короткозамкнутым ротором, специальный коллекторный
электродвигатель постоянного тока или шаговый электродвигатель с
числовым программным управлением. Однако преимущественное
применение в неавтоматизированном и автоматизированном электроприводах
швейных машин получили асинхронные трехфазные электродвигатели
с короткозамкнутым ротором. Они надежны в эксплуатации и не
требуют применения специальных электрических источников питания.
Известно, что при отсутствии нагрузки синхронная частота вращения
магнитного ноля статора п0 определяется зависимостью no=f-60lp,
где /= 50 Гц — частота питающего напряжения сети; р = 1, 2, 3... — число
пар полюсов, определяемое числом катушек, расположенных на статоре.
Частота п0 связана с частотой враашния ротора п через скольжение
S, определяемое выражением S = (п0 —nj/п, а скольжение в свою
очередь связано функциональной зависимостью с электромагнитным
моментом М двигателя:
где Мк - максимальный (критический или опрокидывающий) момент, развивае-.
мый электродвигателем, которому соответствует критическое скольжение SK.
208
Таким образом, для регулировки частоты вращения ротора двигателя
•пектроиривода швейной машины в допустимых пределах изменения
^кидающего момента, развиваемого двигателем, возможен один из
следующих путей:
регулировка частоты напряжения питания обмоток статора;
изменения числа пар полюсов р;
редуцирование частоты вращения п ротора с помощью фрикционных
муфт с механическим или электромагнитным приводом, использование
редукторов или дополнительных электродвигателей для поворота
главною вала швейных машин, когда необходим останов иглы вверху или
книзу.
Последний из перечисленных путей получил наибольшее применение.
При этом автоматизированный электропривод представляет собой одно-
корпусный электромагнитный агрегат со встроенной или выносной
системой управления. Он состоит из трехфазного асинхронного
электродвигателя, приводной и тормозной фрикционных электромагнитных муфт,
датчиков положения частоты вращения главного вала. Система управле-
iiidi может выполнять минимум необходимых функций или обеспечивать
программирование количества стежков в строчке и закрепках, управления
скоростью выполнения строчки по заданному закону ее изменения и др.
И цикловых полуавтоматах привод включает в себя асинхронный трех-
ф.тшмй электродвигатель и механизм автоматического останова. В табл. 12
приведены основные типы электроприводов швейных машин
неавтоматического и автоматического действия. Общим недостатком всех типов
шок гроприводов, рассмотренных в табл. 12, является износ фрикционных
накладок муфт скольжения и фрикционных тормозных муфт и их нагрев
м результате трения.
Фрикционный неавтоматизированный типовой электропривод
швейных машин общего и специального назначения, который положен в основу
работы и автоматизированного электропривода швейных машин с
электронным управлением, состоит из айгнхронного электродвигателя 9 (рис.
К2, а), закрепленного на промстоле, на котором установлена головка 1
шнейиой машины; ременной передачи 4 и маховика 3, соединенного с
пе.домым шкивом 5; ведущего шкива <§, жестко насаженного на валу
ротора электродвигателя; фрикционного диска 7, имеющего фрикционные на-
КЛадки 7' и 7" с двух противоположных сторон; тормозной фрикционной
муфты 6, жестко соединенной с корпусом статора электродвигателя;
подпружиненного двуплечего рычага 10, соединенного с педалью
управлении. Он обеспечивает образование двух фрикционных кинематических пар:
'/" <V при пуске и работе швейной машины, 7' — 6 при торможении и
останове главного вала. При включении электродвигателя его ротор и
ведущий шкив 8 вращаются вхолостую. После установки стачиваемых
деталей иод прижимную лапку машины и ее опускании швея-мотористка
нажимает на педаль управления, которая замыкает кинематическую цепь
8 -*¦ 7" -* 7 -> 7' -> 5 -> 4 ->• 3. От главного вала 2 получают движение все
рабочие органы машины. Частота вращения главного вала, или скорость
209
^ Табл.12. Основные типы приводов швейных машин и полуавтоматов
о
Техническая
характеристика
Неавтоматизированные машины
общего и
специального
назначения
Цикловые полуавтоматы
с механическим остановом
с бесступенчатым
торможением
с
двухступенчатым торможением
Автоматизированные швейные машины
с электронным управлением
без изготовления
закрепок
Quick-Stop
(ФРГ)
с программированием выполнения
закрепок
Vario-Stop \ Quick-Electronic-
(ФРГ) | Stop (ФРГ)
Способ измене- Механический с
ния частоты помощью фрик-
вращения глав- ционной муфгы
ного вала и педали
управления
Устройства для Фрикционный
торможения механический
тормоз
Система автома- - ,
тического управ-
Датчики (задат-
чики положения
главного вала)
Механический с Механический - Электромеханиче- Электромсханиче- Элсктромеханиче-
помощью под- шкивами с раз- ский - червячным ский с электрон- ский с элсктрон-
пружиненного
стержня
личным
передаточным
отношением
редуктором и
ЭММ вращения
ным ступенчатым ним многоступен-
переключением чатым нереключе-
ЭММ кием ЭММ
Кулачок останова Кулачок останова ЭМТ
ЭМТ
ЭМТ
Цикловая
Цикловая
Кулачок копирно- Два кулачка ди-
го диска ска останова
Позиционная Следящая (на Следящая (на БИС
релейная полупроводни- микропроцессор-
с контактными ках малой степе- ной серии и эле-
переключателями ни интеграции) ментной базе
средней степени
интеграции)
Контактный ще- Бесконтактные фотоэлектрические с
точный синхрони- задатчиком лепесткового или циа-
затор фрагмешгого типа
Преимущества
Простота
конструкции и
надежность работы
Точный останов, простота
обслуживания
Возможность ааю-Наличие обратно* П: --. -r-:=-i-
матического пози- связи по частоте к,-.. =i:.: .:.•¦.:-:;•:>:
дионирования иг- вращения глав- закрепок и 12
сколы и обрезки ни- кого вала ростей работы
маток шины
Недостатки Ручная доводка Ограниченная область использова- Подгорание элек- Невысокая точ-
главного вала ния; значительные ударные нагрузки трических кон- ность работы при-
для позициони- в момент фиксированного останова тактов, вытяги- водов типа ЭРА
рования иглы циклового полуавтомата вание и проскаль- и ЭКЛ
вверху или внизу зывание простран-
и другие ручные ственной ремен-
вспомогательные ной передачи на
операции ' ¦ ЭММ малой
скорости
Необходимость
подбора и
перевода интегральных
микросхем
системы управления на
отечественные
аналоги при
восстановлении
работоспособности
Рис. 82. Принципиальная схема фрикционного неавтоматизированного электроири
вода швейных машин общего и специального назначения
Пр
Назад Вперед^
210 12
Положение педали
8 9 10 11 -12
Ступени частоты
Ъращения
Рис. 83. Принципиальная схема типового электропривода автоматизированных
швейных машин с электронным управлением и графики многоступенчатых законов
регулирования частоты вращения главного вала и ее значения при срабатывании
основных исполнительных механизмов средств автоматизации
выполнения строчки, зависит от усилия, действующего на педаль, и от
проскальзывания кинематической фрикционной пары 7" - S. При
отсутствии проскальзывания частота вращения главного вала 2 максимальная.
При освобождении педали фрикционный диск 7 под действием растянутой
пружины 11 размыкается со шкивом 8 и входит в зацепление с
тормозной фрикционной муфтой 6. Происходит быстрое торможение и останов
машины с иглой в произвольном положении. Пример диаграммы n(t)
изменения скорости работы краеобметочной швейной машины (рис. 82,5)
при обработке детали брюк показывает, как часто работает в переходных
режимах разгона и торможения электродвигатель типового фрикционного
привода. На рис. 82,5 цифрами, кроме первой и последней, обозначены
моменты перехватов при повороте детали относительно оси иглы, а
буквами - перехваты внутри каждого участка. Время на выполнение
указанных перехватов на диаграмме не показано. Из диаграммы видно, что
только на длинных участках D — 5) строчки электродвигатель привода
работает с максимальной частотой вращения под полной нагрузкой, когда
педаль управления нажата до упора. На всех прямых коротких и
криволинейных участках строчки швейная машина работает в режиме разгона -
торможения или в режиме разгона работы на пониженной скорости —
торможения. Следовательно, максимальная частота вращения главного вала,
указываемая в технической характеристике швейных машин общего и
специального назначения, не всегда может быть использована из-за
технологических ограничений, накладываемых малой длиной и кривизной
выполняемых строчек и швов. Поэтому дальнейшее повышение
производительности таких машин тесно связано с сокращением затрат времени
на вспомогательные операции при выполнении перехватов, что возможно
только при использовании автоматизированного электропривода с
электронным управлением.
Принципиальная схема автоматизированного электропривода типа
Quick-Electronic-Stop модели NDK 880дМ фирмы Quick-Rotan (ФРГ),
применяемого в отечественных швейных машинах 0-1022МЛК(МСК и
МТК) кл. и швейных машинах конструктивно-унифицированного ряда
на базе машин 997МЛК(МСК и МТК) кл. с челноком с горизонтальной
осью, приведена на рис. 83,в, где приняты следующие обозначения: ЭД —
асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором; ЭММ
и ЭМТ — фрикционные электромагнитные программно-управляемые
муфты вращения и торможения; Д1 и Д2 — датчики положения главного вала;
ДЗ и Д4 - датчики положения педали „Вперед" (нажата носком ноги)
и „Назад" (нажата пяткой); ИМ ШМ - исполнительные механизмы
швейной машины для обрезки ниток, подьема прижимной ланки и реверса
для выполнения закрепок (на схеме не показаны); СУ — система
управления приводом и ИМШМ.
На рис. 83,5 приведены графики многоступенчатых законов
регулирования частоты вращения главного вала швейной машины и ее значения
при срабатывании основных исполнительных механизмов. Здесь nx(tj —
линейный' ступенчатый закон изменения частоты вращения главного вала
213
швейной машины (скорости выполнения строчки для 12 промежуточных
положений); n2(t) и n3(t) - параболические ступенчатые законы
изменения скорости работы швейной машины; ип = 150 - 180 мин - частота
вращения главного вала при позиционировании иглы; ир = 150 —
220 мин* - частота вращения главного вала при срабатывании механизма
ножа для обрезки ниток; пт^ = 100— 180 мин — первая минимальная
ступень частоты вращения главного вала; птах — 12-я максимальная
ступень частоты вращения главного вала при полностью нажатой педали
„Вперед" и максимальной частоте вращения ротора B800 мин при р — \
или 1400 мин при р — 2). Для настройки в указанных пределах пп, пр,
«min. «max> a также закона nx(t), n2(t) или n3(t) в системе управления
автоматизированного привода имеются соответствующие потенциометры,
а для программирования числа стежков в закрепках, выполняемых в
начале и в конце шва, используются две четырехразрядные панели
программирования, на которых с помощью полупроводниковых диодов,
устанавливаемых в соответствующих разрядах, обеспечивается программное
выполнение до 15 стежков в соответствующих закрепках.
Принцип работы автоматизированного привода основан на изменении
величины скольжения между ведущей 1 (см. рис. 83,а) и ведомой 2
частями электромагнитной муфты ЭММ за счет изменения тока в
катушках этой муфты.
Приводная электромагнитная муфта ЭММ отключается, а тормозная
электромагнитная муфта ЭМТ включается каждый раз в зависимости от
положения педали управления.
В приводе Quick-Electronic-Stop при включении ЭВМ фрикционный
ведомый диск перемещается вдоль своей оси вращения и входит во
взаимодействие с ведущим диском У, а в приводе Quick-Rotan ведомый диск
выполнен в виде упругой мембраны, жестко закрепленной на ведомом
валу. При включении ЭВМ диск 2 по оси не перемещается, а он
деформируется, в результате чего перемещается его удаленная от оси вращения
кольцевая часть с фрикционными накладками. С диском 1
взаимодействует та фрикционная накладка, которая расположена с его стороны.
При торможении с диском 3 взаимодействует другая фрикционная
накладка.
Таким образом, рассмотренный автоматизированный электропривод
с электронным управлением кроме останова машины с иглой в заданном
положении обеспечивает возможность устойчивой работы машины на 12
промежуточных скоростях, автоматически выполняются закрепки и
осуществляется управление исполнительными механизмами в соответствии
с программируемым законом их работы и алгоритмом управления.
В автоматизированных приводах для швейных машин фрикционная
муфта с электромагнитным приводом может отсутствовать. Тогда
изменение частоты вращения главного вала швейной машины достигается
бесконтактным способом управления, например путем изменения частоты
питающего напряжения, использования способа динамического
торможения ротора двигателя переменного тока в постоянном магнитном поле,
214
применяют различные способы (например, пескоструение
перфорированного алюминиевого листа, приклеивание синтетических нитей к рабочей
поверхности пластины, напыление полимера, прессование металлических
порошков на наждачной бумаге и др.).
К основным направлениям дальнейшего совершенствования
прессующих рабочих поверхностей оборудования для ВТО можно отнести
следующие:
получение управляемой регулируемой кривизны и формы верхней
подушки в зависимости от кривизны и формы заменяемых нижних
подушек;
разработка упругих проницаемых покрытий с регулируемой
проницаемостью и упругостью при деформации;
снижение массы и площади прессующей поверхности для локального
воздействия рабочими органами на требуемые участки обрабатываемого
1Г1ДСЛИЯ.
Оборудование ВТО может иметь электропривод, пневмопривод,
гидропривод, электромагнитный или комбинированный привод, каждый из
которых имеет свои преимущества и недостатки.
Мощность привода выбирается исходя из задаваемых
технологических нагрузок и структуры передаточного механизма.
Самым эффективным и надежным приводом остается электропривод,
который в свою очередь является сборочной единицей в гидро- и
пневмоприводе. Автоматизация электропривода является характерным нанрав-
щ'пием его совершенствования в технологическом оборудовании всех
офаслей легкой промышленности. На венгерских прессах CS-311 hCS-313
используется электродвигатель с червячным редуктором, соединенный
с главным рычагом с помощью кривоишпно-коромыслового механизма
(рис. 96,а) с рабочим углом поворота а кривошипа, равным 100°. Обычно
электропривод неподвижно монтируется на станине пресса, но может
также перемещаться вместе с подушкой (рис. 96,E). Тогда он
соединяется с главным рычагом посредством винтовой нары 1 и служит противо-
иесом, при этом винт связан с электродвигателем привода, а гайка
состоит из подпружиненного цилиндра 2, шарнирно соединенного с главным
рычагом посредством подвижной -втулки 3. Комбинированный
электропривод (рис. 96, в) состоит из электродвигателя с винтовой передачей
для перемещения нижней подушки в горизонтальной плоскости и
электромагнита для перемещения верхней подушки по вертикали. Известен
электропривод с вибратором жесткой оболочки 3 (рис. 97), позволяющий
интенсифицировать процесс формования плечевых швейных изделий.
Возможны и другие конструктивные особенности электропривода оборудования
что.
Особенностью привода гладильных прессов с подушкой, закрепленной
па одном конце главного рычага, является необходимость обеспечения
двух периодов работы: быстрый холостой ход одной из подушек на 300 --
500 мм до соприкосновения с полуфабрикатом или изделием при малом
полезном сопротивлении (~О,35 кН) и рабочий ход -¦ прессование, харак-
235
7777 /777
Рис. 96. Кинематические схемы швейных прессов-полуавтоматов
теризуемый малым перемещением (8 — 20 мм) и значительным усилием
прессования (до 25 кН). Этим условиям в большей мере по сравнению
с электроприводом отвечает пневмо- и гидропривод,
причем-пневмопривод получил преимущественное применение в прессах. Силовые цилиндры
для закрывания пресса и прессования могут быть установлены раздельно
и кинематически соединены между собой и главным рычагом или соосно.
Фирма „Джуки" (Япония) выпускает пресс JMS-P09-16TU с
микропроцессором и дисплеем, в котором пневмопривод может работать в
пульсирующем режиме. Микропроцессор имеет память для отработки 10
типовых программ ВТО. Этот пресс можно считать наиболее оснащенным
электроникой и самым дорогим среди аналогичного оборудования.
Применение дисплея на прессе представляется-излишним, так как во время
отработки программ оператор мог бы не следить за экраном, а
подготовлять к рабочему циклу второй пресс. Кроме того, применение встроенных
микропроцессорных систем для регулировки только временных
циклограмм на прессах ВТО не дает существенных преимуществ по сравнению
236
1'ис. 97. Кинематическая схема
ипроноздушного виброманекена:
/ регулятор частоты вращения
крипоишпа (или частоты вибрации
оГфиГттываемого швейного изде-
iiiiii) ; 2 кривошип; 3 — паро- и
Mi) |духопроницаемая жесткая
оПолочка; 4 — регулятор
амплитуд!.i вибрации изделия путем
изменения радиуса/" кривошипа
с электромеханическими командоаппаратами, используемыми для тех
же целей.
Пневмопривод обычно подключается к централизованной
пневматической сети предприятия, где для получения сжатого воздуха давлением
до 0,8 МПа используются стационарные поршневые компрессоры общего
назначения.
Совершенствование гидро- и пневмопривода оборудования ВТО
направлено на проектирование силовых цилиндров с переменным усилием
прессования в зависимости от изменяемой технологической нагрузки
и физико-механических свойств обрабатываемых материалов.
§ 1. Средства для объективного контроля и регулировки
режимов работы оборудования и количественной оценки качества
результатов технологического процесса
Основными параметрами,
контролируемыми и регулируемыми на оборудовании ВТО, являются:
температура рабочих органов, рабочих сред и обрабатываемого материала и время
включения и выключения программы работы.
Для регулировки температуры рабочих органов оборудования ВТО
используют типовые средства автоматики, обеспечивающие требуемый
237
Рис. 98. Динамика темпера;
туры рабочих органов o6opyj
дования ВТО при использо"!
вании автоматических регуля4
торов, реализующих следую-;
щие законы регулирования:
/ — даухпозиционный; 2 —«
пропорциональный; 3 — РЮ
закон и точность регулировки (рис. 98). Наиболее простыми
конструкциями являются встраиваемые в подушку пресса или утюга двухпозицион-
ные регуляторы температуры дилатометрического или биметаллического
принципа работы, обеспечивающие невысокую точность регулировки
температуры (±10%). Электронные регуляторы, работающие в комплекте
с термопарами и термисторами, имеют более высокую точность
регулировки температуры. К таким регуляторам относятся, например, Фай-
троник-2000 фирмы „Файт" (ФРГ), Семикон Н-80 фирмы „Наомото"
(Япония) и др., которыми комплектуется каждая единица
технологического оборудования ВТО. Для измерения температуры рабочей
поверхности подушек в КТИЛПе разработана серия ИГ переносных
измерителей температуры простых по конструкции и надежности в эксплуатации.
Типовая кривая изменения температуры внутри пакета материала
при ВТО на прессе-полуавтомате с электропаровым нагревом подушек
и автоматическим программируемым пропариванием приведена на рис. 99.
При температуре пакета около 100° С имеет место характерная ступенька
на кривой температуры и последующий рост температуры пакета при его
сушке перегретым паром, а на заключительной стадии ВТО при
включении вакуум-установки осуществляется снижение температуры до
температуры окружающей среды. На этой кривой цифрами 0 — 3 отмечены
характерные стадии ВТО: 0-1 — пластификация и деформация пакета;
1-2 ~ сушка; 2-3 - фиксация достигнутой деформации путем
охлаждения обрабатываемого пакета.
Программирование цикла ВТО
осуществляется с помощью реле
времени или программных
устройств различных конструкций
(перфокарт, программных дисков и др.),
которые выполняют жесткое
программное управление. Известны ав-
Рис. 99. Типовая температурная кривая
пакета материалов при ВТО на
паровом прессе
238
томптичсские следящие устройству с обратными связями для прекращения
стадий процесса ВТО по влагосодержанию пакета или температуре обра-
бнтыилсмого материала, исиользо^ание которых является более высоким
уронпсм автоматизации режимов ВтО.
Качество ВТО швейных изделий в настоящее время в
производственных условиях определяется визуально путем экспертных оценок, так как
и пшсйной промышленности отсу*СТВуЮТ гостированныс требования к по-
юпктелям качества ВТО. В связц с этим одной из основных задач
улучшения качества швейных изделий является разработка средств и приборов
дня количественного измерения, показателей, позволяющих объективно
оцепить качество процесса и операции ВТО.
Для операций, требующих упрессовки (обработка борта, воротника,
ни i;i изделия и др.) при ВТО на прессах, предложено использовать
обобщенный показатель качества, отражающии технологический и
экономический эффекты обработки:
К=
ЫсТ
где /. = [(Pj/p,) 1] степень ласообр^зования; Y = h1lhl - относительная толщина
микста материалов; А, и р, - толщина пакета материалов и коэффициент отражения
иицевой поверхности до ВТО; h2 и рг _ ТОлщина пакета и коэффициент отражения
материала после ВТО; а, Ъ, с - коэфс^Ициенты значимости отдельных показателей;
V время одного цикла ВТО.
Для измерения Ai и/г2 используют толщиномер текстильных
материалов типа ТЭМ или типа ТТМ-1 Конструкции ЦНИХБМ. Измерение
коэффициентов отражения pi и р2 *можно производить фотоэлектрическим
ласометром конструкции КТИДПа или промышленным блескомером
типа ФМ. Другой показатель качества ВТО, построенный с учетом
указанных выше частных показателей и обобщенной функции желательности,
позволяет с учетом значений Y, <, и j рассчитать максимальное значение
комплексного показателя качества ВТО. Для операций ВТО, связанных
с загибкой края, в формулу обобщенного показателя вместо Y
подставляется измеренное значение угл^ заутюживания а с помощью прибора
Метроимпекс (ВНР) с оптическим угломером или угломера УШ-1
конструкции КТИЛПа.
Совершенствование средств щхл объективной количественной оценки
показателей качества ВТО ведется в направлении бесконтактных устройств,
принцип работы которых основа^ на взаимодействии электромагнитного
излучения различного диапазона ч^стот с измеряемыми участками изделий,
подвергнутыми операциям ВТО.
Фотоэлектрический ласометр (рис. юо) состоит из оптической
системы, мостовой измерительной схемы с фотоэлементами ФЭ1 и ФЭ2,
усилителя постоянного тока и Регистрирующего прибора 1. Оптическая
часть прибора содержит две симметрично расположенные системы,
состоящие из осветителей ОС1 и ОС2 Или светодиодов с фокусирующими диа-
239
Рис. 100. Функциональная
схема фотоэлектрического
ласометра
фрагмами, измерительных площадок 2, 3 и фотодатчиков.
Измерительные площадки устанавливаются под углом 22,5°к падающему световому
потоку, что соответствует максимальному значению отраженного
светового потока. В качестве датчика отраженного светового потока
использован фотоэлемент СЦВ-51, спектральная характеристика которого
подобна спектральной характеристике глаза, что обеспечивает близость
результатов измерения к естественному восприятию состояния поверхности
материала. Для компенсации изменений внешних воздействий
(освещенности, напряжения питания и др.) в смежное плечо мостовой схемы
включен второй фотоэлемент того же типа. Переменные резисторы R2 и Rj
служат для настройки чувствительности и уравновешивания мостовой
схемы при укладке двух одинаковых образцов материала на
измерительные площадки 2 к 3. Питание измерителыюй схемы производится от
стабилизатора Ст и высоковольтного выпрямителя В. Основная погрешность
показаний прибора не превышает ±3%.
§ 2. Гидро- и пневмоавтоматика прессов
для влажно-тепловой обработки
Гидравлический пресс ВТО
содержит индивидуальный гидравлический привод верхней и нижней подушек.
Гидропривод состоит из гидронасоса / (рис. 101,а), приводимого в работу
электродвигателем ЭД, емкости 2 с машинным маслом и
гидрораспределительной аппаратуры, включая распределитель 3 с электромагнитным
приводом.
В исходном положении подушка 11 поднята, электродвигатель ЭД
обесточен и гидронасос не работает. Для включения пресса необходимо
главным выключателем В1 подать питание в цепь управления
нагревательных элементов НЭ (нагрев верхний). При этом срабатывает
промежуточное реле 2Р, которое своими замыкающими контактами 2Р1 подключает
нагревательные элементы к сети. Термодатчик ТД, вмонтированный в
верхнюю подушку пресса, периодически обесточивает катушку реле 2Р\
при этом периодически отключаются и нагревательные элементы НЭ, что
обеспечивает автоматическое двухпозиционное регулирование
температуры. Чтобы предотвратить попадание рук рабочего под пресс, пуск пресса
осуществляют только при одновременном нажатии двух пусковых
кнопок П1 и П2, включенных последовательно. При нажатии пусковых
кнопок срабатывает промежуточное электромагнитное реле IP, которое
240
Jx ~ЗвО
Рис. 101. Принципиальная схема гидроэлектроавтоматики и упрощенная
функциональная схема пневмоавтоматики прессов ВТО
своими замыкающими контактами 1Р1 подключает электродвигатель кг
источнику тока. :
Под давлением масла клапан 4 поднимается и открывается доступ!
масла в трубопровод бив силовой гидроцилиндр 7, который через
систему рычагов опускает верхнюю подушку пресса. Когда подушка находится'
в нижнем положении, один из рычагов нажимает на концевой
выключатель М и кнопки „Пуск" блокируются. После опускания верхней
подушки давление масла в гидросистеме повышается и клапан 4 поднимается
выше, открывая доступ маслу в трубопровод 5 и гидроцилиндр 8,
который своим плунжером 9 поднимает вверх подушку 10, в результате чего
изделие прессуется. Когда давление масла в гидросистеме достигнет
заданного предела B3 — 25 кгс/см2), маслонасос соединяется со сливом.
При нажатии пусковых кнопок П1 и П2 одновременно с включением
электродвигателя привода включается и реле времени РВ, которое
остается включенным и после того, как пресс закрылся, а 1гусковые кнопки
отпущены.
По истечении технологического времени прессования, на которое
настроено реле времени, контакт этого реле времени FBI (с выдержкой
времени на размыкание) размыкается и обесточивает катушку реле IP,
которое в свою очередь размыкает свои контакты и отключает
электродвигатель ЭД от сети. Давление в гидросистеме падает, распределитель 3
перемещается в исходное положение и полости гидроцилиндров 7 и 8
соединяются со сливом. Пружинящий упор 13 выводит спрямленные
рычаги из „мертвой точки", а растянутая пружина 12 поворачивает главный
рычаг, поднимая подушку 11 в верхнее положение.
При открытии пресса концевой выключатель М освобождается и реле
времени обесточивается.
Таким образом, гидроэлектроавтоматика пресса ГП-25 обеспечивает
управление двумя силовыми цилиндрами для холостого и рабочего
хода, автоматическое регулирование температуры верхней подушки,
имеющей электрообогрев, выдержку времени прессования и автоматическую
блокировку гидравлических и электрических цепей.
К недостаткам этого пресса следует отнести необходимость
использования проутюжильников и увлажнения их водой, отсутствие приборов
для визуального контроля параметров процесса, отсутствие
предварительного пропаривания, необходимость модернизации пресса подключения
отсоса. Этих недостатков нет в новом гладильном прессе с
гидравлическим приводом типа ПГП-2, который оснащен индивидуальным
парогенератором и вакуумным отсосом.
В прессе ПГП-2 изменена конструкция поршневого цилиндра,
используется сдвоенный цилиндр, состоящий из большого и малого цилиндров.
При включении пресса масло вначале давит на поршень малого диаметра,
а затем на поршень большого диаметра. Такая конструкция поршневого
цилиндра уменьшает размеры гидропривода.
Примером пресса ВТО с пневматическим приводом
(пневмоприводом) является пресс ПСЦ, предназначенный для межоперационной и окон-
242
чшелыюй влажно-тепловой обработки швейных изделий. В прессе
применен комбинированный электропаровой обогрев верхней подушки и паро-
iioii обогрев нижней.
Средства автоматизации обеспечивают программирование операций
НТО в соответствии с современными представлениями о трех стадиях
:hoio процесса: подготовка материала к деформации или формованию;
деформация или формование материала; фиксация полученной
деформации и требуемого технологического эффекта. Для этого пресс оснащен
средствами для автоматического нропаривания полуфабриката, сушки
по и охлаждения на заключительной стадии ВТО> управляемыми
программируемым электромеханическим командоаппаратом, например реле
примени типа ВС-10 или др.
На стадии подготовки материала к формованию для его
пластификации в полуфабрикат вводят насыщенный водяной пар, который
пластифицирует и прогревает волокнистую структуру ткани или другого обраба-
н.шаемого материала. Это можно производить и перегретым паром при
не полностью закрытых подушках. На второй стадии ВТО одновременно
происходят деформация и сушка полуфабриката. При сушке
полуфабриката из него удаляется избыточная влага, введенная на предыдущей стадии
обработки. На заключительной стадии ВТО автоматически или вручную
включается вакуум-отсос для закрепления деформации или формы
полуфабриката.
Кроме того, па прессе ПСЦ можно производить отпаривание
полуфабриката для снятия лас, т. е. снятие напряжений с волокон, расположенных
на лицевой поверхности материала, при одновременном вакуумировании
прижатого к нижней подушке, но свободного от давления верхней
подушки полуфабриката.
На панели управления прессом (рис. 101, ?50 кроме кнопок „Пуск",
,,Стоп" и общего выключателя расположены тумблеры переключения
режимов пропаривания и световое табло „Отсос", ,,Пар", „Прессование"
и „Сеть". Для дополнительного пропаривания и отсоса в прессе имеется
две педали управления.
Подача и перекрывание доступа пара и сжатого воздуха производятся
электромагнитными паро- и пневмоклапанами, управляемыми
электромеханическим командоаппаратом.
Автоматическое регулирование и контроль температуры верхней
подушки производятся регулирующим милливольтметром, работающим
в комплекте с термопарой.
Пневматический привод состоит из двух пневмоцилиндров.
Холостой ход верхней подушки осуществляется цилиндром 1 закрытия, а
рабочий ход - цилиндром 2 нре.ссования. Эти цилиндры отличаются
между собой величиной хода штока и диаметром цилиндра. Для
плавного хода подушки, чтобы не было смещения изделия на нижней
подушке, используется гидравлический амортизатор (на рис. 101,5 не
показан) . Упругий ограничитель 3 хода верхней подушки выводит из
„мертвой точки" спрямленные рычаги при открытии пресса. Верх-
243
няя самоустанавливающаяся подушка пресса крепится к главному
рычагу 4 на пружинах 5. Нижняя подушка пресса имеет упругое
покрытие 6.
Автоматизация оборудования ВТО базируется на современных
встраиваемых микропроцессорных системах управления, обеспечивающих
гибкое перепрограммирование исполнительных механизмов, реализующих
как различные законы силового воздействия на обрабатываемые
материалы, так и законы изменения режимных параметров ВТО (температуры,
влажности и времени воздействия рабочих сред).
Автоматизация оборудования ВТО, швейных машин, раскройных
машин и транспортных средств на основе микропроцессорных систем
управления позволяет рассчитывать на последующую успешную разработку
и внедрение компьютерной технологии промышленного изготовления
швейных изделий в нашей стране.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Автоматизация технологических процессов легкой промышленностн/Л. II.
Плужников. А. В. Елин, А. В. Кочеров и др. М.. 1984.
Артвик Б. А. Сопряжение микроЭВМ с внешними устройствами. М., J УНЗ.
I Бирюков А. А. и др. Программный раскрой текстильных материалом/ Ьирю-
коп А. А.. Мо.чгачев А. Р., Сафонов Л. М. М., 1978.
Бродягин В. Г. и др. Электроавтоматика и электропривод швейных машин и но-
лу;шгоматов/Бродягин В. Г., Поливанов С. Ю., Якимишев К). В. М., 1977.
Веселов В. В., Колотилова Г. В. Методы и средства исследований
технологических процессов швейного производства. Иваново, 1 983.
Веселов В. В., Колотилова Г. В. Химизация технологических процессом мшей-
мого производства. М., 1985.
Ганулич А. А. Пневмоавтоматика и пневмопривод швейного оборудования.
М.. 1986.
Козлов В. П. Рулонное питание и автоматизация швейных процессов. М.. 1979.
Навасардян Г. С. Измерительная техника для промера линейных размеров
ткани. М., 1981.
Новая технология и оборудование для стачивания деталей по сложному кон-
iypy/В. М. Нестеренко. А. В. Соколов, Б. В. Орловский и др. - ЦНИЙТЭИлегпром.
М., 1985.
Новгородцев В. А., Мокеева Н. С. Автоматизация изготовления
программоносителей для вышивальных полуавтоматов. М., 1982.
Оборудование швейного производства/П. М. Пальщиков, А. И. Шарапин,
И. А. Идиатулин, Ю. Н. Вальщиков. М., 1977.
Орлов И. В., Дубровный В. А. Основы технологии и автоматизации тепловой
обработки швейных изделий. М., 1974.
Орловский Б. В., Бабак Т. В. Современное состояние и перспективы развития
оборудования для влажно-тепловой обработки швейных изделий. М., 1983.
Орловский Б. В., Кудько Л. М. Швейные машины и механизмы, управляемые
программируемыми микроконтроллерами. М., 1'Ш>.
Орловский Б. В. Основы автоматизации ншеинпго производства. М., 1973.
Орловский Б. В. Роботизация швейного нром'шолстпа. Киев, 1986.
Пищиков В. А. Машины, машины-автоматы и автоматические линии (швейное
производство). Киев, 1982.
Поляков В. Г. и др. Тангенциоиалм/и-лгН'шчнмН метод обмера фигуры
человека/В. Г. Поляков, В. С. Нагорнов, Э. И. Л11ду//('ч|н'|чменствование технологии
процесса конструирования одежды массового нроммпшеш/ого производства. Киев, 1982.
Руженцев А. С. Основы автоматизации нпгрутчно-разгрузочных и
вспомогательных операций в легкой промышленное! п. М., I ')'/<>.
Система автоматизированного простпрпнинпн раскладок лекал/И. Я. Креме-
нецкий, Е. С. Тарнапольский, Б. А. Котик и лр. Шнейная промышленность, 1985.
№4, с. 25- 27.
Скрипник Ю. А. и др. Контроль нирпмпрпи технологических процессов в
легкой промышленности/Скрипник Ю. А., Пинок |>. Л., Дубровный В. А. Киев, 1980.
Справочник по швейному оборудоипиию/И С. Пак, И. К. Горохов, Е. И.
Воронин и др. М., 1981.
245
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
> Введение 5
ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИКИ
Глава 1
Основные определения и классификация автоматических устройств 9
§ 1. Определения, терминология и классификация основных понятий автоматики,
автоматизации и роботизации технологических процессов, машин и систем 9
§ 2. Особенности технологических процессов и машин швейного производства
как объектов автоматизации 23
Глава 2
Датчики автоматических устройств 27
§ 1. Датчики автоматических устройств механизмов, машин, промышленных роботов
и технологических процессов швейного производства 27
§ 2. Датчики сил, действующих в механических и технологических системах
и объектах 33
§ 3. Датчики линейных и угловых перемещений, скоростей и ускорений 40
§ 4. Датчики считывания и ввода в микроЭВМ графической информации 51
§ 5. Сенсорные датчики, контактные и бесконтактные,
путевые и концевые выключатели 54
§ 6. Датчики температуры 61
§ 7. Аналого-цифровые преобразователи датчиков 66
Глава 3
Измерительные и усилительные элементы 68
§ 1. Погрешности измерений 68
§ 2. Измерительные схемы, системы и приборы 71
§ 3. Усилительные элементы автоматических устройств 7о
Глава 4
Исполнительные механизмы 84
§ 1. Общие сведения и классификация исполнительных механизмов 84
§ 2. Электромагнитные исполнительные механизмы 86
§ 3. Электромашинные исполнительные механизмы 93
СРЕДСТВА И СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ШВЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
НА ОСНОВЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Глава 5
Основы построения и эксплуатации систем автоматизации швейного производства
на базе микроконтроллеров, микроЭВМ и мини-ЭВМ J 03
• § 1. Основные понятия и классификации средств вычислительной техники,
используемой для автоматизации оборудования и процессов
швейного производства 103
§ 2. Устройство и принцип работы микроЭВМ 107
\
246
§ 3. Микропроцессор КР580ИК80А 116
§ 4. Программируемый параллельный интерфейс 127
(j 5. Информационное и программное обеспечение машин и агрегатов с ЧПУ
в швейном производстве 139
§ 6. Основы построения автоматизированных рабочих мест
для систем автоматизации проектирования 141
§ 7. Технические средства АРМ 144
§ К. АРМ для конструирования швейных изделий по индивидуальным заказам
в условиях массового промышленного производства 155
§ 9. Устройства и системы программного управления 159
ЛИ ЮМАТИЗАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ И ПРОЦЕССОВ ШВЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Глава 6
Автоматизация и комплексная механизация подготовительно-раскройного
производства как основа для подготовки и реализации роботизации
и гибких производственных систем в швейном производстве 164
§ 1 Комплексная автоматизация подготовительного участка
швейных предприятий 167
§ 2. Технические средства для разбраковки материалов
и автоматического измерения их линейных размеров и площади лекал 171
§ 3. Автоматизированные настилочные комплексы и машины 181
§ 4. Автоматизация процессов и оборудования для раскроя 184
Глава 7
Автоматизация швейных машин 190
§ 1. Автоматизация швейных машин общего назначения 190
§ 2. Автоматизация электропривода швейных машин 206
§ 3. Автоматизированные швейные машины с ЧПУ и вышивальные автоматы
с электронным у правлен ием 218
§ 4. Прямострочные и длинношовные полуавтоматы 226
Глава 8
Автоматизация процессов и оборудованил для шюжно-тспловой обработки 230
§ 1. Средства для объективного контроля и регулировки
режимов работы оборудования и количественной оценки качества
результатов технологического процесса 237
§ 2. Гидро-и пневмоавтоматика прессомллм шыжно-тепловой обработки 240
Список лшерлтуры 245