بکارگیری کامپیوتر در طراحی و ساخت
مقدمه ای بر کاربرد کامپیوتر در علوم مهندسی
دومین انقلاب صنعتی در قرن حاضر با ظهور کامپیوتر بوجود آمده و قابلیت پیشرفت انسان را افزایش داده است .
در نتیجه بکارگیری کامپیوتر بوده که سیستم های کنترل عددی بوجود آمده اند و اساسا طراحی و تولید به کمک کامپیوتر با ظهور کنترل عددی مطرح شده که مبنا پایه همه آنها استفاده از کامپیوتر بوده است.
در واقع کاربرد کامپیوتر در تولید و صنعت یکی از مهمترین پیشرفت های بشر در قرن حاضر تلقی می شود که جنبه های مختلف این کاربرد درتاثیر زیاد آن در وضعیت کنونی صنعت بر هیچ کسی پوشیده نیست.
انواع سیستم های کنترل کامپیوتری
سیستم های کنترل عددی کامپیوتری
عرض کالاهای متنوع و تنوع در تولید محصولات و همچنین رقابت در دستیابی به بازار سرعت تولید و ارزانی کالا کنترل و کیفیت نیازی است که یک کنترل کننده و تولید کننده را وادار به دستیابی به تکنولوژی برتر و سیستم های تولیدی مناسب با این تکنولوژی می کند.
ماشین های کنترل عددی اغلب برای تولید قطعات با تعداد کم و یا متوسط و یا دارای شکلهای پیچیده بکار می رود.
ارسال کلیه قوانین و دستورات به مرکز کنترل ماشین برای انجام عملیات و حرکت در قالب کدها و استانداردهای خاص از طریق برنامه ماشین کاری قطعه صورت می گیرد.
فصل دوم
معرفی ماشین های کنترل عددی
تعریف کنترل عددی
کنترل عددی را می توان به صورت یک نوع اتوماسیون با برنامه ریزی تعریف نمود که در آن فرایند توسط اعداد حروف و سنبل ها کنترل می شود.
اعداد ، حروف و علائم که بطور منطقی برای هدایت یک ماشین خاص مورد استفاده قرار می گیرد برنامه نامیده می شود.
در برنامه اعداد بخشی از دستورات می باشند که آن برنامه برای قطعه خاصی در نظر گرفته شده است.
وقتی که شکل قطعه عوض شود برنامه نیز تغییر می کند این توانایی تغییر برنامه برای هر قطعه به خاصیت انعطاف پذیری بسیار خوبی را میدهد چون تغییر برنامه به مراتب راحت تر از تغییر ابزار و لوازم تولید می باشد.
این دلیل باعث رشد روز افزون بکارگیری سیستم های کنترل عددی گردیده است.
کنترل عددی در بخش ها و صنایع مختلف بکار گرفته می شود که عبارتند از :
- صنایع هوایی و نظامی
- صنایع فلز تراشی (شکل دهی فلزات)
- صنایع الکترونیک
- صنایع مونتاژ و بسته بندی
برنامه نویسی ماشین های کنترل عددی کامپیوتری
- صنایع ابزار سازی
- صنایع چوب
- صنایع نساجی
- کنترل کیفیت و بازرسی
لازم به ذکر است که هر یک از اعمال و صنایع فوق خود نیز به انواع و روشهای مختلفی تقسیم بندی می شوند که در تمام آنها بکارگیری کنترل عددی توسعه یافته است.
برای نمونه در فرایند شکل دهی فلزات ماشین کاری با استفاده از دستگاه هایی انجام می گیرد که برای صورت کنترل عددی کامپیوتری ساخته می شوند.
مانند انواع ماشین های CNC زیر :
- ماشین فرز
- ماشین تراش
- ماشین بورینگ
- ماشین سنگ زنی
- ماشین اسپارک
بطوری که جای به خصوص خود را در ماشین کاری پیدا کرده است و امروزه دامنه صنعت شکل و همه به جایی رسیده است که در اغلب ماشین های ابزار یک سیستم کنترل عددی استفاده می شود و به صورت کاملا خودکار ساخته می شوند.
ماشین های کنترل عددی که اصطلاحا آنها را NC و یا CNC می نامند ماشین های اتوماتیکی هستند که توسط سیستم کنترل و یا کامپیوتر کنترل می شود این ماشین طبق مراحل و مسیر پیش بینی شده به اندازه مورد نیاز و با سرعت و پیشروی مشخص توسط یک سری دستورات در قالب حروف و ارقام کنترل می شوند.
در حقیقت به کمک سیستم CNC حرکت اصلی و حرکت پیشروی و جابجایی سریع که در ماشین های سنتی معمولا به روش دستی انجام می گیرد در ماشین های CNC به صورت اتوماتیک و با یک برنامه و سری دستورات از قبل طراحی شده انجام می گیرد و قطعه کار و ابزار را در موقعیت سایش قرار گرفته و عمل لایه برداری انجام می شود.
میکرو کنترلر چیست ؟
میکروکنترلر در واقع یک کامپیوتر تک تراشه ارزان قیمت می باشد.
تک تراشه بدین معنی است که کل سیستم کامپیوتر در داخل یک تکه نازک سیلیکانی در درون یک محفظه پلاستیکی مدار مجتمع قرار گرفته است .
میکروکنترلر دارای خصوصیاتی مشابه به خصوصیات کامپیوتر شخصی استاندارد می باشد.
میکروکنترلر محتوی یک CPU ، RAM، ROM، خطوط I/Q ، درگاه های سریال و موازی ، زمان سنج ها و بعضی اوقات وسایل جانبی داخلی دیگری نظیر مبدل آنالوگ به دیجیتال و مبدل دیجیتال به آنالوگ می باشد.
به هر حال خصیصه اصلی میکروکنترلر توانایی بارگذاری ، توانایی بارگذاری ، ذخیره و اجرای برنامه است.
چرا از میکروکنترلر استفاده می کنیم ؟
چون میکروکنترلرها کامپیوترهای تک تراشه ای ارزان قیمت هستند به سادگی می توان آنها را در مدارات الکترونیکی بزرگتر قرار داد.
توانایی ذخیره سازی و اجرای برنامه های منحصر به فرد میکروکنترلرها را بسیار قابل انعطاف ساخته است.
به عنوان مثال یک فرد می تواند میکروکنترلر را طوری برنامه ریزی کند که تصمیم گیری نماید و براساس شرایط و رویدادها عملیاتی انجام دهد.
قابلیت انجام عملیات ریاضی و منطقی به میکروکنترلر اجازه می دهد رفتار مدارات الکترونیکی و سیستم های منطقی را تقلید کند.
برنامه ها همچنین می توانند موجب شوند میکروکنترلر مانند یک شبکه عصبی و یا مشابه یک کنترل کننده با منطق فازی رفتار کند.
میکروکنترلرها در لوازم خانگی به کار برده می شوند.
و وظیفه هوش این دستگاه های هوشیار را برعهده دارند.
موتورهای پله ای در 3 مدل مختلف در دسترس هستند که عبارتند از : موتورهایی با آهنربای دائمی موتورهایی با مقاومت مغناطیسی متغیر موتورهای پیوندی شکل 12-11 نمای برش خورده یک موتور پله ای با آهنربای دائم را نمایش می دهد.
موارد استفاده موتورهای پله ای این موتورها در گستره وسیعی از کاربردهای صنعتی به ویژه در صنعت ساخت وسایل جانبی کامپیوتر ماشین های اداری ، کنترل حرکت و علم رباتیک مورد استفاده قرار می گیرد.
مورد استفاده کاملی از موتورهای پله ای در شکل 13-11 به صورت فهرست شده ارائه داده شده است.
تذکرهای مهم برای انتخاب موتور پله ای مناسب سرعت تعویض پله ها گشتاور سکون زاویه تعویض پله ها زمان شتاب گرفتن موتور به میلی ثانیه زمان کند شدن حرکت موتور به میلی ثانیه نوع تحریک اندازه و وزن موتورهای پله ای خطی موتورهای پله ای خطی به جای اینکه به شکل گرد ساخته شوند به صورت تخت ساخته می شوند و حرکت این نوع موتورها نیز به جای حرکت دورانی و چرخشی حرکتی افقی و مستقیم می باشد.
قسمت های اصلی یک موتور پله ای خطی در شکل 14-11 نمایش داده شده اند .
همان طور که در شکل مشخص شده است این نوع موتورها از یک صفحه فلزی صاف به اضافه قسمتی که نیروی لازم برای حرکت را وارد می کند ساخته شده اند.
صفحه فلزی صاف قسمتی از این موتور است که محکم در جای خود ثابت شده است و دارای دندانه های روی سطح خود می باشد.
این دندانه ها در هنگامی که موتور ایستاده است با دندانه های روی قطبهای Forcer درگیر می شوند.
Forcer یا قسمت وارد کننده نیرو دارای چهار قطب مجزا است که روی هم هرکدام از این قطب ها سه دندانه وجود دارد و از یک غلتک مکانیکی برای حرکت کردن بر روی صفحه فلزی و همچنین بر روی شکاف هوایی بین آنها استفاده می کند.
میدان مغناطیسی قسمت وارد کننده نیرو با گذراندن و تغییر دادن جریان از داخل آن تغییر می کند.
هنگامی که جهت جریان گذرنده از این قسمت معکوس می شود جهت حرکت آن نیز عکس خواهد شد.
دقت این موتورها 500/12 پله در اینچ است که درجه دقت بسیار بالایی دارد.
این شکل قسمت Forcer را در حالی که بر روی صفحه صاف یا plater قرار گرفته نشان می دهد.
در صنعت از موتورهای پله ای خطی برای کاربردهای خاص که فقط حرکت در راستای افق و در جهت مستقیم مد نظر باشد استفاده می گردد.
شکل 15-11 یکی از کاربردهای این نوع موتور را نشان می دهد که موتور وظیفه حرکت دادن ویفرسیلیکون و رساندن آن به زیر پرتوی لیزر را برعهده دارد.
مختصری راجع به AVR زبانهای سطح بالا یا همان HLL به سرعت در حال تبدیل شدن به زبان برنامه نویسی استاندارد برای میکروکنترلرها حتی برای میکروهای 8 بیتی کوچک هستند.
زبان برنامه نویسی BASIC و C بیشترین استفاده را در برنامه نویسی میکروها دارند ولی در اکثر کاربردها کدهای بیشتری را نسبت به زبان برنامه نویسی اسمبلی تولید می کنند.
ATMEL ایجاد تحولی در معماری جهت کاهش کد به مقدار مینیمم را درک کرد که نتیجه این تحول میکروکنترلرهای AVR هستند که علاوه بر کاهش و بهینه سازی مقدار کدها به طور واقع عملیات را تنها در یک کلاک سیکل توسط معماری REDUCED RISC انجام می دهند و از 32 رجیستر همه منظوره استفاده می کنند که باعث شده 4 تا 12 بار سریع تر از میکروهای مورد استفاده کنونی باشند.
تکنولوژی حافظه کم مصرف غیر فرار شرکت ATMEL برای برنامه ریزی AVR ها مورد استفاده قرار گرفته است در نتیجه حافظه های FLASH و EEPROM در داخل مدار قابل برنامه ریزی هستند.
میکروکنترلرهای اولیه AVR دارای 1،2و 8 کیلوبایت حافظه FLASH و به صورت کلمات 16 بیتی سازمان دهی شده بودند.
AVR ها به عنوان میکروهای RISC با دستورات فراوان طراحی شده اند که باعث می شود حجم کد تولید شده کم و سرعت بالاتری بدست آید.
عملیات تک سیکل با انجام تک سیکل دستورات کلاک اسیلاتور با کلاک داخلی سیستم یکی می شود.
هیچ تقسیم کننده ای در داخل AVR قرار ندارد که ایجاد اختلاف فاز کلاک کند.
اکثر میکروها کلاک اسیلاتور به سیستم را با نسبت 1:4 یا 1:12 تقسیم می کنند که خود باعث کاهش سرعت می شود.
بنابراین AVR ها 4 تا 12 بار سریع تر و مصرف آنها نیز 12-4 بار نسبت به میکروکنترلرهای مصرفی کنونی کمتر است زیرا در تکنولوژی CMOS استفاده شده در میکروهای AVR مصرف توان سطح منطقی متناسب با فرکانس است.
نمودار زیر افزایش MIPS را به علت انجام عملیات تک سیکل AVR در مقایسه با نسبت های 1:4و 1:12 در دیگر میکروها را نشان میدهد.
طراحی برای زبانهای BASIC و C زبانهای BASIC و Cبیشترین استفاده را در دنیای امروز بعنوان زبانهای HLL دارند.
تا امروزه معماری بیشتر میکروها برای زبان اسمبلی طراحی شده و کمتر از زبانهای HLL حمایت کرده اند.
هدف ATMEL طراحی معماری بود که هم برای زبان اسمبلی و هم زبانهای HLL مفید باشد.
به طور مثال در زبانهای C و BASIC می توان یک متغیر محلی به جای متغیر سراسری در داخل زیر برنامه تعریف کرد در این صورت فقط در زمان اجرای زیر برنامه مکانی از حافظه RAM برای متغیر اشغال می شود در صورتی که اگر متغیری بعنوان سراسری تعریف گردد در تمام وقت مکانی از حافظه FLASH ROM را اشغال کرده است.
برای دسترسی سریع تر به متغیرهای محلی و کاهش کد نیاز به افزایش رجیسترهای همه منظوره است.
AVR ها دارای 32 رجیستر هستند که مستقیما به LOGIC ALU متصل شده اند.
و تنها در یک کلاک سیکل به این واحد دسترسی پیدا می کنند.
سه جفت از این رجیسترها می توانند بعنوان رجیسترهای 16 بیتی استفاده شوند.
برنامه صفحه بعد نشان می دهد که چگونه تعداد مناسب رجیسترهای همه منظوره می توانند با معماری CISC با یک ACCUMULATOR مقایسه گردند.
برای این منظور می خواهیم از معادله صفحه بعد A را بدست بیاوریم که با کدهای AVR این محاسبه در عرض 4 کلاک سیکل و با کدهای CISC در عرض 96-48 کلاک سیکل انجام می گیرد.
خصوصیات ATmega32، ATmega32L ازمعماری AVR RISC استفاده می کند.
کارایی بالا و توان مصرفی کم .
دارای 131 دستورالعمل با کارایی بالا که اکثر تنها در یک کلاک سیکل اجرا می شوند.
8*32 رجیستر کاربردی سرعتی تا 16MIPS در فرکانس 16MHZ حافظه برنامه و داده غیرفرار 32کیلو بایت حافظه فلش داخلی قابل برنامه ریزی .
پایداری حافظه فلش : قابلیت 10000 بار نوشتن و پاک کردن 2کیلوبایت حافظه داخلی SRAM 1024بایت حافظه EEPROM داخلی قابل برنامه ریزی پایداری حافظه EEPROM : قابلیت 100000 بار نوشتن و پاک کردن قفل برنامه فلش و حفاظت داده EEPROM قابلیت ارتباط JTAG برنامه ریزی برنامه فلش، EEPROM، FUSE BITS، LOCK BITS از طریق ارتباط JTAG خصوصیات جانبی دو تایمر – کانتر 8 بیتی با PRESCALER مجزا و دارای مد COMPARE یک تایمر – کانتر 16 بیتی با PRESCALER مجزا و دارای مدهای COMPARE، CAPTURE 4 کانال PWM 8 کانال مبدل آنالوگ به دیجیتال 10 بیتی دارای دو کانال تفاضلی با کنترل گین 1X,10X,200X یک مقایسه کننده آنالوگ داخلی دارای RTC با اسیلاتور مجزا WATCHIDOG قابل برنامه ریزی با اسیلاتور داخلی ارتباط سریال SPI برای