메카트로닉스 시스템 설계의 내용과 방법은 무엇입니까?

메카트로닉스 시스템 설계:

1. 메카트로닉스 시스템 개발을 위한 설계 아이디어

메카트로닉스의 장점은 다양한 관련 분야의 장점을 흡수할 수 있다는 것입니다. 따라서 메카트로닉스 시스템을 개발하는 과정에서는 기술 통합과 학제간 개발의 역할이 특히 강조되어야 합니다. 메카트로닉스 시스템 개발은 다단계, 다중 장치 시스템 프로젝트입니다. 시스템의 다양한 단위들이 하나의 시스템으로 유기적으로 결합된 후, 각 단위의 기능은 서로 중첩될 뿐만 아니라 서로 돕고, 촉진하고, 향상시켜 전체의 기능을 단순히 기능의 합보다 더 크게 만듭니다. 각 단위, 즉 "전체는 부분의 합보다 크다" ". 물론, 각 단위의 차이로 인해 설계가 부적절하면 시스템이 형성된 후 단위 간 충돌과 마찰이 발생하게 되며 내부 마찰이 너무 크면 전체가 발생할 수 있습니다. 부분의 합보다 작아서 통합 능력이 상실됩니다. 따라서 개발 과정에서는 한편으로는 기계 시스템을 설계할 때 제어 시스템의 전기적 매개 변수와 일치하는 기계 시스템 매개 변수를 선택해야 하며 설계 시에도 필요합니다. 제어 시스템의 경우 기계 시스템의 고유한 구조적 매개변수를 기반으로 매개변수를 선택해야 합니다. 기계 기술과 마이크로 전자 기술을 포괄적으로 적용하여 두 기술이 서로 밀접하게 통합되고 조정되고 보완되어 메카트로닉스의 장점을 완전히 반영합니다.

2. 메카트로닉스 시스템 설계 방법

메카트로닉스 시스템 설계 계획을 수립하는 방법에는 대체 방법, 전체 설계 방법 및 결합 방법이 있습니다.

1. 교체 방법

이 방법은 원래의 전통적인 기계적 제어 메커니즘을 대체하기 위해 전기 제어를 사용합니다. 이 방법은 일반적으로 전통적인 기계 제품을 변형하고 새로운 제품을 개발하는 데 사용됩니다. 예를 들어 기계적 전달 메커니즘을 전기적 속도 제어 시스템으로 대체하고, 기계식 캠 제어 메커니즘, 래치 플레이트, 스텝 스위치, 릴레이 등을 대체하기 위해 프로그래밍 가능한 컨트롤러나 마이크로컴퓨터를 사용하여 기계적 기술의 결함을 보완합니다. 방법은 기계적 구조를 크게 단순화하고 시스템의 성능과 품질을 향상시킬 수 있습니다. 이 방법의 단점은 원래 시스템의 틀에서 벗어날 수 없다는 점이며, 이는 특히 신제품 개발 시 아이디어 개발에 도움이 되지 않습니다.

2. 전체 설계 방법

이 방법은 주로 신제품 및 시스템 개발에 사용됩니다. 설계 시 시스템 전체의 목표로부터 각 하위 시스템의 설계를 완벽하게 고려하므로 인터페이스가 단순하고 서로 통합될 수도 있습니다. 예를 들어, 일부 레이저 프린터의 레이저 스캐닝 미러의 회전 샤프트는 모터의 로터 샤프트입니다. 이는 액추에이터와 운동 메커니즘의 조합의 예입니다. 오늘날 대규모 집적회로와 마이크로컴퓨터의 지속적인 대중화와 정밀기계 기술의 발전으로 액츄에이터, 모션 메커니즘, 감지 센서, 컨트롤, 바디 등의 요소를 유기적으로 통합한 새로운 메카트로닉스 제품의 설계가 완전히 가능해졌습니다. .

3. 결합 방법

이 방법은 다양한 표준 모듈을 선택하고 이를 빌딩 블록처럼 결합하여 다양한 전기 기계 통합 시스템을 구성하는 방법입니다. 예를 들어 CNC 공작기계를 설계할 때 CNC 유닛, 서보 드라이브 유닛, 위치 감지 감지 유닛, 스핀들 속도 제어 유닛, 각종 기계 표준 부품이나 유닛 등 전체 시스템 관점에서 산업용 시리즈 제품을 선택할 수 있으며, 등을 거쳐 모든 유닛을 하나로 유기적으로 결합한 인터페이스 디자인을 진행합니다. 메카트로닉스 시스템을 개발할 때 이 방법을 사용하면 설계 및 개발 주기를 단축하고 툴링 장비 비용을 절약할 수 있으며 생산 관리, 사용 및 유지 관리에 유리합니다.

3. 메카트로닉스 시스템 설계 내용

메카트로닉스 시스템(제품) 제어 시스템 설계의 주요 내용은 전체 시스템 제어 계획 결정, 제어 알고리즘 결정으로 요약할 수 있습니다. , 마이크로컴퓨터 선택, 시스템 하드웨어 및 소프트웨어 설계, 시스템 튜닝.

1. 시스템의 전반적인 제어 계획을 결정합니다.

(1) 제어 작업을 결정합니다.

시스템을 설계하기 전에 내부 점검을 수행해야 합니다. -제어 대상의 작업 프로세스에 대한 심층 조사, 이를 분석 및 숙지하고 실제 응용 프로그램의 특정 요구 사항을 명확히 하며 기계 및 전자 기능 분할 체계에 따라 시스템이 완료할 작업을 결정한 후 사용합니다. 제어 프로세스와 작업을 설명하는 제어 흐름도 또는 기타 적절한 형식을 사용하고 제어 시스템 설계의 전체 기초로 설계 작업 설명을 작성합니다.

(2) 제어 시스템의 전반적인 계획을 구상합니다.

1) 시스템의 제어 구조가 개방 루프 제어인지 폐쇄 루프 제어인지 결정합니다.

2) 폐쇄 루프 제어를 사용할 경우 감지 센서의 선택과 필요한 정확도 수준은 물론 메커니즘 설치 및 사용 환경과 같은 문제도 고려해야 합니다.

3) 제어 대상의 특정 요구 사항에 따라 액추에이터가 전기식, 공압식, 유압식 등인지 선택하고 솔루션의 장점과 단점을 비교하고 최선의 것을 선택하십시오.

4) 시스템에서 마이크로컴퓨터의 역할을 명확히 합니다. 즉, 설정값 계산, 직접 제어 또는 데이터 처리인지, 어떤 기능을 가져야 하는지, 어떤 입력/출력 채널이 필요한지, 어떤 주변 장치가 필요한지 명확하게 설명합니다. 등으로 구성되었습니다. 마지막으로, 추가 설계를 위한 기초로 시스템 구성 요소의 개략적인 블록 다이어그램과 추가 지침이 그려지고 예비 비용 추정이 이루어집니다.

2. 제어 방법을 결정하기 위한 수학적 모델 설정

시스템의 수학적 모델을 설정하는 것은 복잡한 과정이며 반복적인 절충이 필요한 시험 과정이기도 합니다. .

1) 사전에 결정된 제어 시스템의 물리적 구조를 기반으로 적절한 제어 이론 방법을 사용하여 각 링크 및 전체 시스템의 수학적 모델 표현을 확립하고 구성합니다.

정적 및 동적 특성의 계산을 통해 컴퓨터 처리의 기초를 제공합니다.

2) 다양한 제어 개체와 다양한 제어 성능 지수 요구 사항에 따라 다양한 제어 알고리즘을 선택합니다. PID 조정의 제어 알고리즘은 공정 제어 장비의 직접 디지털 제어 시스템에 일반적으로 사용됩니다. 최소 비트 제어를 실현하는 제어 알고리즘은 위치 디지털 추적 시스템에 일반적으로 사용됩니다. 디지털 통합 방식과 데이터 샘플링 방식은 공작기계 제어 알고리즘의 디지털 제어에 자주 사용됩니다. 또한 다양한 최적 제어 제어 알고리즘, 확률적 제어, 적응형 제어 제어 알고리즘 중에서 선택할 수 있습니다.

3) 제어 시스템이 더 복잡하면 제어 알고리즘도 더 복잡해집니다. 설계 및 디버깅의 편의를 위해 작은 비선형성, 작은 지연 및 기타 요소의 영향을 무시할 수 있습니다. 제어 알고리즘을 합리적인 단순화로 만들 수 있습니다. 컴퓨터 시스템 시뮬레이션 기술을 사용하여 최상의 제어 효과를 얻을 때까지 제어 알고리즘이 점차 개선됩니다.

간단히 말하면, 제어 알고리즘의 결정은 수정과 실험을 반복하는 점진적인 과정입니다.

3. 마이크로컴퓨터 선택

마이크로컴퓨터로 주어진 작업을 수행한 후에 동일한 작업을 완료하기 위한 많은 마이크로컴퓨터 솔루션이 있습니다. 일반적으로 선택은 주어진 작업(특정 제어 알고리즘 처리를 포함해야 함)을 완료하고 선택한 마이크로컴퓨터의 기능을 완전히 활용하며 특정 기능적 여유를 남길 수 있다는 원칙을 기반으로 합니다.

마이크로컴퓨터는 생산 기계 또는 생산 프로세스를 제어하기 위한 요구 사항부터 시작하여 다음 요구 사항을 충족해야 합니다.

(1) 상대적으로 완전한 인터럽트 시스템을 갖추고 있어야 합니다.

제어 목적 컴퓨터, 실시간 제어 기능이 주요 특징입니다. 시스템이 정상적으로 작동하는 동안의 실시간 제어 능력과 장애 발생 시 긴급 처리 능력을 포함합니다. 이러한 종류의 처리 및 제어는 일반적으로 인터럽트 제어 방법을 채택합니다. 즉, CPU는 터미널 요청을 적시에 수신하고 원래 실행 프로그램을 일시 중지한 다음 해당 인터럽트 서비스 프로그램을 실행합니다. 인터럽트가 처리된 후 다시 계속됩니다. 원래 프로그램을 실행합니다.

CPU에 해당하는 인터페이스 칩을 선택할 때 제어 시스템이 생산 시 제시된 다양한 요구 사항을 충족할 수 있도록 인터럽트 작업 모드도 있어야 합니다. 보다 복잡한 제어를 위해서는 실시간 운영체제를 고려해야 합니다.

(2) 충분한 저장 용량

마이크로컴퓨터의 메모리 용량은 제한되어 있으므로 프로그램이나 데이터를 저장하기에는 메모리 용량이 부족할 경우 메모리를 증설하거나 외장 메모리에 적합한 메모리(예: 하드 디스크 등).

(3) 완전한 입력/출력 채널

입력 및 출력 채널은 시스템의 외부 프로세스와 마이크로컴퓨터 간의 정보 교환을 위한 채널입니다. 실제 필요에 따라 정보의 신속한 일괄 교환을 위한 스위칭 입력/출력 채널, 아날로그 입력/출력 채널, 디지털 입력/출력 채널 및 직접 데이터 채널이 있습니다. 채널의 작동 모드에는 직렬, 병렬, 무작위 선택 및 미리 결정된 특정 순서로 작동하는 작업이 포함됩니다.

(4) 마이크로프로세서 칩 선택

이 선택의 핵심은 제어 기능 요구 사항을 충족할 수 있는 마이크로프로세서의 단어 길이, 속도 및 명령 시스템을 결정하는 것입니다. 이 세 가지는 상호 의존적입니다. 일반 선택:

1) 일반적인 시퀀스 제어 및 프로그램 제어에는 1비트 마이크로프로세서를 사용할 수 있습니다.

2) 계산량이 적고 계산 정확도가 낮은 애플리케이션의 경우 속도 요구 사항 시스템은 계산기, 가전 제어 및 간단한 제어와 같은 4비트 마이크로 프로세서를 사용할 수 있습니다.

3) 더 높은 계산 정확도와 더 빠른 처리 속도가 필요한 시스템은 다음과 같은 8비트 마이크로 프로세서를 사용할 수 있습니다. 경제적인 와이어 커팅 공작기계, 일반 공작기계 제어 및 온도 제어 등;

4) 높은 계산 정확도와 빠른 처리 속도가 요구되는 시스템의 경우 16비트 또는 32비트 마이크로프로세서를 사용할 수 있습니다. 복잡한 제어 알고리즘을 사용하는 생산 공정 제어, 고속 작동이 필요한 공작 기계 제어, 특히 대용량 데이터 처리와 같은 축소된 명령 집합 컴퓨팅 칩 RIRC 또는 다중 CPU를 사용하더라도 마찬가지입니다.

(5) 시스템 버스 선택

마이크로컴퓨터는 주로 여러 개의 인쇄 회로 기판(기능 모듈에 따라 설계 및 제조)으로 구성됩니다. 각 보드 사이의 연결은 물론 인쇄된 보드의 소켓 사이의 연결을 통해 구현됩니다. 일반적으로 사용 및 유지 관리의 편의성을 높이기 위해 소켓 사이의 배선이 보편적인 것이 좋습니다. 즉, 시스템의 각 인쇄 기판을 모든 소켓에 꽂을 수 있습니다. 동시에 다양한 제조업체에서 생산되는 회로 기판이 범용적이고 상호 교환 가능하도록 하려면 소켓 및 연결에 대한 표준을 설정해야 합니다. 여기서 시스템 버스 선택이 시작됩니다.

현재 마이크로컴퓨터 시스템 메커니즘을 지원하는 버스는 다음과 같습니다. STD 버스는 8비트 및 16비트 단어 길이를 지원합니다. 다중 버스 유형은 16비트 단어 길이를 지원하고 유형 II는 32비트 단어 길이를 지원합니다. ; S-100 버스는 16비트 워드 길이를 지원할 수 있으며, VERSA 버스는 32비트 워드 길이를 지원할 수 있고, VME 버스는 32비트 워드 길이 등을 지원할 수 있습니다. 제조업체는 사용자가 선택적으로 선택할 수 있는 마스터 모듈 및 슬레이브 모듈을 포함하여 이러한 유형의 버스에 대한 다양한 모델 및 사양의 OEM(Original Equipment Manufacturing) 제품을 제공합니다.

4. 전체 시스템 설계

시스템 설계는 주로 위의 제어 방식, 설계 요구 사항 및 선택한 마이크로컴퓨터 유형을 기반으로 하는 시스템의 특정 설계를 의미합니다. 디자인은 하드웨어 인터페이스 디자인과 소프트웨어 디자인의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

시스템의 전반적인 설계에서 가장 중요한 문제 중 하나는 마이크로 컴퓨터, 제어 대상 및 운영자 간의 안정적이고 시기적절한 정보 교환을 위해 채널 및 시분할 제어 타이밍 배열을 어떻게 해결하는가입니다. .

즉, 시스템이 질서 있게 작동하도록 보장하기 위해 시스템 작동의 순서 배열을 해결하기 위한 하드웨어 구성 및 소프트웨어 조치의 사용을 종합적으로 고려하는 것입니다.

(1) 인터페이스 디자인

제품(또는 시스템)의 경우 전원, 동작, 명령 또는 정보가 구성 요소와 하위 시스템 간에 전송되어야 하는 경우가 많습니다. 이는 다양한 방법을 통해 달성됩니다. 인터페이스. 일반적으로 기계 본체의 다양한 구성 요소 사이, 액추에이터와 액추에이터 사이, 감지 감지 요소와 액추에이터 사이에 기계적 인터페이스가 있습니다. 전자 회로 모듈, 신호 전송 인터페이스, 컨트롤러 및 감지 감지 요소 사이에는 변환 인터페이스가 있습니다. 액추에이터는 일반적으로 전기 인터페이스입니다.

메카트로닉스 제품의 내부 및 외부 인터페이스는 실제로 재료, 에너지, 정보를 교환하는 인터페이스이며 저장, 변환 및 서비스 기능을 갖추고 있습니다. 인터페이스는 기능에 따라 다음 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

1) 제로 인터페이스. 변환 없이 두 부품을 결합된 관계로 직접 연결하는 것을 제로 인터페이스(예: 튜브, 케이블, 터미널 및 고정 커플링 연결)라고 합니다.

2) 공통 변환 인터페이스. 두 부분이 결합된 관계로 에너지나 정보의 변환이 이루어지지만, 마이크로프로세서가 없는 인터페이스가 일반적인 변환 인터페이스이다. 감속기, 변압기, 전자 클러치, 증폭기, 광전 커플러, A/D 변환기, D/A 변환기 등

3) 지능형 변환 인터페이스. 마이크로프로세서를 내장한 변환 인터페이스로 프로그래밍 가능한 특성을 갖고 있어 마이크로프로세서에서 프로그래밍한 8255A, 8279, PIO 등의 인터페이스 조건을 자동으로 변경할 수 있습니다.

현재 대부분의 하드웨어 인터페이스와 소프트웨어 인터페이스는 표준화되었거나 점차 표준화되고 있습니다. 하드웨어 인터페이스의 경우 설계 중 필요에 따라 적절한 인터페이스를 선택한 다음 인터페이스와 함께 해당 프로그램을 작성할 수 있습니다.

(2) 운영 콘솔 설계

마이크로컴퓨터 제어 시스템은 인간-기계 통신을 용이하게 해야 하며 일반적으로 현장 운영자가 사용할 콘솔을 설계합니다. 이 콘솔은 일반적으로 컴퓨터와 함께 제공되는 키보드로 교체할 수 없습니다. 그 이유는 현장 작업자에게 필요한 것은 기계를 작동하기 위한 간단하고 명확하며 안전한 조작반이기 때문입니다. 따라서 운영 콘솔에는 다음 기능이 필요합니다.

1) 주어진 값을 입력 또는 업데이트하고 수정하기 위한 하나 이상의 데이터 입력 키 세트(숫자 키 또는 DIP 스위치 등) 컨트롤러 매개변수 또는 기타 필요한 데이터.

2) 작업 모드를 전환하고 시스템을 시작 및 중지하거나 특정 기능을 완료하는 데 사용되는 하나 이상의 기능 키 또는 스위치 그룹이 있습니다.

3) 다양한 작동 상태, 매개변수 및 오류 표시를 표시하는 데 사용되는 디스플레이 장치 또는 디스플레이 화면이 있습니다. 비상 상황 발생 시 시스템을 중지하고 오류 처리로 전환하려면 콘솔에 "긴급 정지" 버튼이 있어야 합니다.

콘솔의 모든 신호는 시스템의 작동 상태와 밀접한 관련이 있다는 점을 분명히 지적해야 합니다. 설계할 때 이러한 스위치, 버튼, 키보드, 모니터 및 오류 표시기의 기능과 의미를 명확히 해야 하며, 콘솔의 하드웨어와 해당 관리 절차를 신중하게 설계하여 설계된 운영 콘솔이 편리하게 작동할 수 있도록 해야 합니다. 안전과 신뢰성, 작동이 잘못되더라도 심각한 결과를 초래하지 않습니다.

(3) 마이크로컴퓨터 제어 시스템의 전원 공급 장치 설계

마이크로 컴퓨터 제어 시스템의 전원 공급 장치는 필요에 따라 다양한 유형(DC 및 AC)과 사양(전압 및 전력)을 가질 수 있습니다. . 성능 요구 사항은 사용 조건에 따라 달라집니다. 설계 과정에서 합리적인 선택과 디버깅은 실제 요구 사항을 기반으로 해야 하며 전압 변화를 제어해야 합니다. 전원 공급 장치 자체에는 과전압, 단락, 과부하 보호 및 열 보호 기능이 있어야 합니다. 그렇지 않으면 돌이킬 수 없는 손실이 발생합니다.

(4) 기계 전체의 설치 및 연결 설계

전체적인 구조 설계입니다. 마이크로컴퓨터 제어 시스템의 설치에는 제어 대상과의 연결 배치뿐만 아니라 호스트 자체의 설치 및 연결 문제도 포함됩니다. 설계 원칙은 설치 및 연결의 신뢰성과 사용, 조립 및 유지 관리의 편의성이어야 합니다.

1) 설치 및 연결 구조는 충격에 강해야 합니다. 즉, 인쇄회로기판, 커넥터 및 케이블을 포함한 구성 요소가 동일한 섀시에 견고하게 설치되어야 하며 진동으로 인해 헐거워지지 않아야 합니다.

2) 안정적인 접촉과 손쉬운 사용 및 유지 관리를 보장하려면 우수한 제조 품질을 갖춘 표준 또는 특수 풀림 방지 커넥터를 사용하십시오.

3) 배선 구조는 상호 전자기 결합 간섭을 방지하기 위해 합리적이어야 합니다. 신호선과 동력선은 반드시 분리하여 별도로 배선하십시오. 아날로그 신호의 경우 트레이스의 길이와 차폐에 더 주의를 기울이십시오. 트레이스가 너무 길면 신호 향상과 같은 조치를 고려해야 합니다.

4) 안전 접지선, 신호 접지선, 차폐 접지선, 전원 접지선 및 강전류 접지선을 올바르게 설치하고 마지막으로 접지선을 연결하십시오. 접지선은 1점 접지형, 즉 신호 접지선, 전원 접지선, 제어 대상 접지선(안전 접지) 등을 공용 접지점에 연결하는 방식을 채택해야 합니다. 일반공용접지점은 지면과 잘 접촉되어 있어야 하며, 일반접지저항은 (4~7)Ω 이하이어야 합니다.

(5) 소프트웨어 설계

선택한 마이크로컴퓨터 제어 시스템의 경우 마이크로컴퓨터 자체에는 특정 소프트웨어 지원이 있습니다. 일반적으로 이러한 소프트웨어는 사용자가 사용법과 기본 원리를 이해해야 합니다.

마이크로컴퓨터가 특정 제어 분야 전용 제어 컴퓨터로 특별히 설계된 경우 사용자는 컴퓨터의 명령 시스템과 해당 개발 시스템을 사용하여 시스템 소프트웨어, 즉 제어 소프트웨어, 관리 소프트웨어, 진단 소프트웨어 등을 설계해야 합니다. 이러한 시스템 소프트웨어의 설계 요구 사항은 더욱 구체적이고 목표가 정해져 있습니다.

마이크로컴퓨터 제어에서 소프트웨어 작업은 크게 데이터 처리와 프로세스 제어라는 두 가지 기본 유형으로 나눌 수 있습니다. 데이터 처리에는 주로 데이터 수집, 디지털 필터링, 스케일링 변환, 수치 계산 등이 포함됩니다. 공정 제어는 주로 마이크로컴퓨터가 특정 제어 알고리즘에 따라 계산을 수행하도록 한 다음 생산을 제어하기 위해 출력하는 것입니다.

5. 시스템 조인트 디버깅

마이크로컴퓨터 제어 시스템 설계가 완료된 후 하드웨어 회로를 제작, 설치 및 테스트해야 하며 기계를 지속적으로 작동해야 합니다. 소프트웨어의 각 모듈은 컴퓨터에서 개별적으로 디버깅되어 올바른지 확인하고 저장해야 합니다. 위 작업이 완료된 후 하드웨어와 소프트웨어를 결합하여 시스템 결합 디버깅의 시뮬레이션 테스트를 수행할 수 있으며, 정식 작동까지 현장 실험을 수행할 수 있습니다. 이 단계에서 가장 중요한 것은 시뮬레이션 디버깅의 방법과 단계는 물론 사용되는 테스트 방법을 신중하게 설계하는 것입니다.

또한 현장 테스트 전 배선을 주의 깊게 점검해야 하며, 현장 디버깅은 올바른 후에만 수행할 수 있습니다. 현장 디버깅 단계는 다양한 개체에 따라 신중하게 고려해야 합니다. 우선, 관련된 자동 보호 항목을 테스트해야 하며, 해당 항목이 효과적인지 확인한 후에만 기능, 매개변수 및 기타 항목에 대한 테스트를 입력할 수 있습니다.