Пример мехатронного устройства накопитель на гибком магнитном диске

 

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого» МНОГОПРОФИЛЬНЫЙКОЛЛЕДЖ ПОЛЕТЕХНИЧЕСКИЙКОЛЛЕДЖ

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

 

Пример мехатронного устройства накопитель на гибком магнитном диске

 

      по дисциплине Теоретические основы технического обслуживания и эксплуатации автоматических и мехатронных систем управления

 

по специальности 220703 Автоматизация технологических процессов и производств

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                               Принял                                                            

____________/Каратков А.В. /

                                                                    (подпись)

«___» ______________ 2015 год                                                                   

                                                                     Выполнила

                                                                                             Студентка группы 12231

____________/Постникова А.А./

                                                                    (подпись)

«___» ______________ 2015 год

 

 

 

 

 

Содержание 

 

Введение

I. Технические и технологические  вопросы производства

1. Основные характеристики накопителей  на магнитных дисках

2. Технология производства НГМД

II. Деятельность предприятия как  субъекта экономики

1. Конъюнктура рынка накопителей  на гибких магнитных дисках

Заключение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Прошло уже несколько лет с того времени, как я стал внимательно следить за событиями в компьютерном мире. За этот сравнительно короткий срок последний сделал гигантский скачек в своем развитии: от 86 и 286 процессоров с тактовой частотой 8 — 20 Мгц, до пентиумов, производительность которых выше в тысячи раз, а тактовая частота составляет больше 100 Мгц (на проходившей с 24 по 28 апреля в Москве выставке Comtec был представлен компьютер с тактовой частотой процессора 120 Мгц, что не является пределом, так как фирма готовит выпуску новую модель Pi-6, которая по производительности должна превзойти Pentium) .

 

Введение в мехатронику 

 

В  процессе  автоматизации  производства  создан  класс  машин,  в  которых

электронное  и  компьютерное  управление  сочетается  с  механическими  органами, реализующими необходимые физические действия. Типичным представителем таких машин является современный промышленный робот. Теоретическую  основу  выделившегося  класса  машин  составляют  теория  механических  устройств  (теория  механизмов  и  машин)  и  теория  вычислительных управляющих систем (электроника). Эти два направления объединяются в новую отрасль науки, названную мехатроникой.

Термин  мехатроника  означает  совокупность  двух  научно-технических

направлений и образован сочетанием частей названий этих направлений – ме-

ханика и электроника. Основные идеи мехатроники начали формироваться по

мере того, как в состав обычных машин, состоящих из разнообразных меха-

низмов, стали входить электронные устройства. Эти устройства преобразили

облик машин, расширили их функции и положили начало новому этапу в ма-

шиностроении и других сферах деятельности человека.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I. Технические и технологические  вопросы производства

 

1. Основные характеристики накопителей на магнитных дисках

 

 

Мехатроника связана с автоматизацией производства, промышленной        автоматикой  и  робототехникой,  автоматизацией  транспортных  и  складских

функций  производства.  Мехатроника  позволяет  создавать  технические

устройства  с  расширенным  набором  функций;  устройства,  обладающие  эле-

ментами  интеллекта;  устройства,  обладающие  повышенной  надёжностью  и

лучшими потребительскими свойствами, а также др.

Достижения мехатроники широко используются в таких изделиях, как: часы, фотоаппараты, кинокамеры, кондиционеры, швейные машины, холодиль-

ники и многих других. Так, например, применение электронных устройств в

часах  существенно  изменило  их  конструкцию  и  технологию  производства  и

придало часам много новых функций, вплоть до функций калькулятора.

Мехатронные  устройства  –  это  выделившийся  в  последние  десятилетия

класс машин, или узлов этих машин, базирующийся на использовании в них

точной механики, электропривода, электроники, компьютерного управления.

Мехатронное устройство обладает следующими характерными признаками: 

1. Наличие управляемого механизма  с приводами.

2. Наличие измерительных и сенсорных устройств, позволяющих контролировать состояние механизма.

3. Наличие электронной системы  управления, как правило, использующей 

средства  вычислительной  техники  (микропроцессоры,  микроконтроллеры  и

др.).

4. Минимум преобразований информации  и энергии в устройстве. Устройство отвечает  принципу минимума преобразований.

3. Многофункциональность устройства  в целом и его компонентов. Реализуется принцип совмещения функций.  

4. Интеграция электронных и механических  элементов в единую конструкцию 

устройства.

 

Примерами  современных  мехатронных  устройств  являются  модули  станков  и промышленных роботов, устройства внешней памяти компьютеров, принтеры, бытовая техника и т.п. Мехатронное устройство может быть либо машиной,  либо узлом (функциональный элемент, модуль) машины.

 

 

 

 

 

 

Обобщенная структура мехатронного узла представлена на рис. 1, где приняты следующие  обозначения:

  СЭ  –  силовой  элемент,  ВМЗ  –  выходное  механическое

звено, ССО – сенсор (датчик) состояния объекта, СВС – датчик параметра внешней среды,  ИП – измерительный преобразователь, ЦАП – цифроаналоговый преобразователь, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, ЛУ – логическое устройство.

 

Целью функционирования мехатронного устройства является обеспечение

заданной  последовательности  состояний  и  траектории  движения  ВМЗ.  Для

решения этой задачи состояние ВМЗ контролируется. Информация о состоянии  поступает  в  устройство  управления  (ЛУ  или  ЭВМ),  которое  сравнивает

текущее состояние ВМЗ с заданным и определяет отклонения от заданного со-

стояния.

На основе этой информации (с использованием информации о состоянии

окружающей среды, если это предусмотрено) устройство управления формирует  необходимые  для  приведения  ВМЗ  в  заданное  состояние  управляющие воздействия.  Эти  воздействия  реализуются  с  помощью  силовых  элементов (исполнительных механизмов).

  Для передачи информации от объекта управления управляющей ЭВМ используются АЦП и преобразователи уровня. Обратная передача управляющих сигналов обеспечивается ЦАП и преобразователями уровня.

Использование  для  реализации  алгоритма  управления  управляющей  про-граммы  позволяет  легко  изменять  рабочий  цикл  мехатронного  устройства Рис. 1. Структура мехатронного устройства  простым перепрограммированием. Использование ЭВМ для управления позволяет усложнять алгоритмы обработки информации и управления, обеспечивая реализацию устройством интеллектуальных функций. В случае применения адаптивного управления возникает необходимость в контроле  параметров  окружающей  среды,  и  в  устройство  вводятся  датчики параметров  окружающей  среды  СВС,  вырабатывающие  соответствующую информацию. Информационные сигналы таких датчиков могут быть как аналоговыми, так и дискретными.

  Задачами управления мехатронным устройством могут быть: задача авто-

матического регулирования, задача логико-программного управления, задача

адаптивного  управления.  Для  управления  служит  электронное  логическое

устройство  ЛУ  или  компьютерное  устройство  управления.  Управление  осу-

ществляется в соответствии с управляющими программами и заданными зна-

чениями управляемых величин (уставками).

 

 

На рис. 2 показан пример мехатронного устройства в виде накопителя на

гибком  магнитном  диске  (НГМД), широко  используемого  в  компьютерах  в качестве внешнего запоминающего устройства. НГМД представляет собой органический комплекс механических и электронных устройств и является типичным мехатронным устройством.

Механическая часть НГМД включает: 1 – гибкий магнитный диск, являю-

щийся носителем информации; 2 – привод вращения гибкого магнитного дис-

ка; 3 – конечный выключатель защиты записи; 4 – фотодатчик начала записи

(начала  дорожки);  5  –  блок  головок  записи-считывания  с  электромагнитом 

прижима головок к поверхности диска; 6 – шаговый привод для позициониро-

вания головок в радиальном направлении. 

Электронные устройства предназначены для управления рабочим циклом

НГМД, для преобразования и усиления информационных сигналов и для связи НГМД с ЭВМ: БУПВД – блок управления приводом вращения диска; БУ-

ЭМ – блок управления электромагнитом прижима головок; СБ – схема блоки-

ровок; БУПМГ – блок управления шаговым приводом позиционирования маг-

нитных головок; УУ – устройство общего управления с интерфейсными схемами.

Конструктивно  НГМД  выполнен  в  виде  единого  блока,  который  можно

встраивать  в  корпус  ЭВМ  или  других  устройств.  Печатные  платы  электронных устройств и механические устройства жестко соединены между собой. В результате НГМД представляет собой законченный электронно-механический модуль,  выполняющий  функции  записи,  хранения  и  чтения  информации, представляемой в виде электрических сигналов.

 

 

2. Технология производства  накопителей на гибких магнитных  дисках 

 

Запись и считывание информации осуществляются с помощью магнитных головок плавающего типа. Они крепятся на рычагах, которые перемещаются по радиусу дисков с помощью специального следящего привода.

В качестве материала для изготовления магнитных дисков обычно применяют алюминиевый сплав Д16МП (МП — магнитная память) . Этот сплав немагнитный, мягкий, достаточно прочный, хорошо обрабатывается. Для уменьшения количества металлургических дефектов на поверхности диска сплав подвергают специальной очистке, например, электрофлюсовому рафинированию с продувкой инертным газом.

Торцевые поверхности магнитных дисков покрывают магнитным слоем. Гальваническое магнитное покрытие имеет толщину до 1 мкм, а ферролаковое — до 5 мкм. Только торцевые поверхности крайних дисков не используются для хранения информации. На рабочей поверхности диска размещаются 80 дорожек, 20 секторов.

Записи и считывания информации осуществляются с помощью магнитных головок плавающего типа. Они крепятся на рычагах, которые перемещаются по радиусу диска с помощью специального следящего привода.

Плотность записи определяется величиной зазора между диском и магнитной головкой, а от стабильности зазора зависит качество записи (считывания) . При малом зазоре и больших погрешностях в макрогеометрии поверхности имеют место значительные колебания амплитуды сигнала воспроизведения. Для надежной работы накопителя на гибких магнитных дисках необходимо обеспечить шероховатость поверхности не более Ra=0,22 мкм и минимальные макрогеометрические отклонения. Торцевое биение диска при вращении с чистотой 30 об/с не должно превышать 0,3 мм, а удельная неплоскостность 0,7 мкм на длине 10 мм.

Выполнение этих требований представляет значительные трудности.

Основными этапами технологического процесса изготовления магнитного диска являются получение заготовки, подготовка поверхности, терморихтование, токарная обработка, нанесения магнитного покрытия, уравновешивание, контроль.

Заготовку дисков получают из листового материала. Резку листов на карточки размером 100х100 мм осуществляют на ножницах с наклонными ножами и прижимом материала. Из карточек вырубкой на штампе или на токарном станке получают диски.

При вырубке зона металла, прилегающая к поверхности среза, упрочняется. Толщина деформированного слоя составляет примерно 0,3 толщины материала. Припуск на последующую токарную обработку должен превышать толщину деформированного слоя.

Размеры заготовки для магнитного диска имеют следующие значения: наружный диаметр составляет 85,5 мм, а внутренний — 24 мм.

Подготовка поверхности заключается в обезжиривании, промывке в горячей проточной воде (при t=60° С в течение 1 — 2 мин.) и сушке. Она осуществляется на специальных установках.

Диск, находящийся в камере станка получает вращение и подвергается действию обезжиривающего раствора, а также протирается вращающимися щетками. Раствор подается из бачка насосом и распыляется форсунками. Чистая вода для промывки поступает из крана. Обезжиривающий раствор из камеры попадает через клапан обратно в бачок для вторичного использования или сливается. Диски сушат горячим воздухом, циркуляция которого в камере осуществляется вентилятором.

Терморихтование заготовок необходимо для снятия внутренних напряжений и обеспечения требований по неплоскостности и осевому биению. Эту операцию наиболее целесообразно выполнять в электрических печах сопротивления, которые обеспечивают минимальные перепады температур по всему рабочему объему. Оптимальная температура рихтования для сплава Д16МП составляет 125-- 215 С, а выдержка при этой температуре 3 ч. Скорость подъема температуры составляет 40° С в час, а скорость охлаждения не более — 20° С в час.

В приспособлении для закрепления дисков при терморихтовании заготовки дисков помещают между алюминиевыми плитами. В каждом слое находится по 10 заготовок. Положение заготовки на плите определяется тремя штифтами, которые фиксируют заготовку по внутреннему диаметру. Они служат также для фиксации вложения следующей плиты. Основание и грузовая плита выполнены из чугуна. Грузовая плита обеспечивает требуемое давление, которое для верхней заготовки составляет 0,02-- 0,04 Мпа. Стойка имеет ушко, с помощью которого приспособление загружают в электрическую шахтную печь. Температура рабочего пространства и приспособления контролируется термопарами, установленными снаружи и внутри приспособления.

Контроль торцевых поверхностей дисков после терморихтования осуществляют с двух сторон бесконтактным (емкостным) методом. Заготовки дисков устанавливают на плоскость ступицы и закрепляют через кольцо прижимом с помощью гайки.

Осевое биение измеряют при равномерном вращении с частотой 0,2 об/c при фиксированном положении датчика на одной из концентрических окружностей. Непараллельность перемещения датчика по плоскости не должна превышать 0,001. Токарную обработку дисков проводят на станках повышенной точности в вакуумном патроне.

Основными частями патрона являются планшайба и корпус со сменным кольцом. Через отверстия его полость соединена с канавками, находящимися на торцевой поверхности планшайбы. Разность атмосферного давления воздуха и давления внутри планшайбы прижимает заготовку диска к выступам, удерживая диск на планшайбе за счет сил трения. Для съема диска полость планшайбы соединяют с окружающей атмосферой. Величина разряжения составляет 0,05 — 0,07 Па. Обточка наружного и внутреннего диаметров, а также фасок осуществляется при частоте вращения шпинделя от 700 до 900 об/ мин и подаче до 0,1 мм/об.

Подготовка поверхности диска перед нанесением покрытия заключается в очистке ее моющим раствором при температуре 55 — 65° С. В качестве подслоя применяют медь, которую наносят гальваническим способом.

Магнитное покрытие, нанесенное по медному подслою, обеспечивает малый ток записи, высокую амплитуду считываемого сигнала и практически бездефектное покрытие. Толщина медного подслоя составляет примерно 5 мкм. Чистота поверхности после нанесения медного подслоя ухудшается, и для ее восстановлении применяется полирование, при котором толщина подслоя уменьшается на 0,5 мкм.

Подслой и магнитное покрытие наносят электролитическим способом в приспособлении, которое обеспечивает подвод тока и вращение диска в гальванической ванне. Вращение диска обеспечивает равномерность осаждения покрытия.

Приспособление состоит из текстолитовой плиты, на которой установлены двигатель и понижающие редукторы. На валу редуктора насажена оправка с диском. Ток к диску подается от провода и втулки к оправе. Диск погружают в ванну на половину диаметра. Для получения равномерного магнитного поля устанавливают латунный экран. Погружение диска в ванну, подъем и перенос его из одной ванны в другую осуществляется с помощью тяг.

Статическое уравновешивание дисков производится после покрытия медью. Диск, плотно надетый на оправку устанавливают на раму-весы, которая призмами опирается на стойку. Весы уравновешиваются с помощью грузов. Раму стопорят на стойке штифом, который после установки диска вынимают. При наличии неуравновешенности рама отклоняется от горизонтального положения, что фиксируется стрелкой на шкале. При этом все вышеперечисленные операции выполняются автоматически. Окончательное полирование осуществляется на станке с вертикальным шпинделем. Обрабатываемый диск закрепляют в вакуумной планшайбе. При этом он прижимается к точной поверхности планшайбы. В качестве инструмента применяют полировальник, шарнирное крепление которого обеспечивает его самоустановку относительно поверхности диска.

Для предохранения магнитного носителя от механических и климатических воздействий на торцевые поверхности дисков могут наносить защитное покрытие. Раньше эту роль выполнял хром, сейчас используется тифлон. Последний позволяет сделать диск абсолютно не чувствительным ко всякого рода загрязнениям: жир, вода, пыль.

Произвольно выбранные диски подвергают испытаниям на сохраняемость записанной информации при длительной работе в режиме считывания. Контрольные измерения параметров воспроизводимых сигналов осуществляют с помощью осциллографа.

Климатические испытания проводят при повышенной (+50° С) и пониженной (— 50° С) температурах, а механические при вибрационных и ударных нагрузках.

После каждого испытания диски подвергают визуальному осмотру с проверкой параметров считываемой информации.

Взаимозаменяемость выбранных НГМД проверяют на нескольких накопителях, на которые последовательно устанавливают один и тот же диск. При этом информация, записанная на дискетах, должна без сбоев воспроизводится на всех накопителях. Иногда после проведения всех вышеперечисленных операций по сборке и проверке дисков некоторые фирмы в качестве дополнительной услуги также форматируют накопители на гибких магнитных дисках, то есть разбивают их на дорожки и сектора, чтобы освободить от этой процедуры пользователя, однако последнее не обязательно, так как требования к форматированию у различных пользователей часто разнятся, поэтому солидные компании предпочитают предоставлять выбор способа форматирования покупателю, а не проводят его заранее.

 

 

 

II. Деятельность предприятия  как субъекта экономики 

 

1. Конъюнктура рынка накопителей на гибких магнитных дисках

 

Сегодня на международном компьютерном рынке наблюдается следующая ситуация. НГМД полностью вытеснили еще достаточно популярные несколько лет назад НМЛ (накопители на магнитных лентах) , перфокарты же совсем ушли в небытие. Еще существуют НМБ (накопители на магнитных барабанах) , однако их позиции с приходом лазерных дисков быстро сдаются. Обоим явлениям есть несколько причин, которые возникли под действием НТР, ускоряющей развитие компьютерной индустрии.

Появившись самыми первыми перфокарты сначала были великим достижением человеческой мысли, так как позволяли хранить и вводить информацию в ЭВМ, то есть играли роль первого запоминающего устройства, однако вскоре программистами были осознаны все неудобства с ними связанные.

Так называемая набивка перфокарт была крайне затруднительна, так как требовала знание машинного языка, кроме того, неверно набранную карточку приходилось набивать заново, потому что заклеить дырку не представлялось возможным. С ЭВМ могли обращаться лишь профессионалы, что делало машину дорогостоящей (особенно программное обеспечение, писавшееся под каждый компьютер отдельно) , а также непригодной для решения широкого круга задач.

Считывание информации шло очень долго, были частые сбои. Под хранение перфокарт отводились целые библиотеки. По этим причинам вскоре появившиеся НМЛ, прототипом которых служили небезызвестные кассеты практически моментально вытеснили с ранка запоминающих устройств своих менее удобных конкурентов. Однако и накопителей на магнитных лентах были свои узкие места.

Первой слабой их стороной был последовательный доступ к информации, что явилось неминуемым следствием, сворачивания запоминающей поверхности в бабины, а следовательно невозможности доступа одновременно ко всем ее местам. Несмотря на большую их емкость, данное неудобство было настолько значительно, что сглаживало все их преимущества. Действительно, для загрузки программы приходилось буквально ощупью искать на кассете начало загрузочного файла, осложнены были внутрипрограммные обращения. Кроме того, постоянная деформация запоминающей поверхности НМЛ сказывалась не лучшим образом на надежности записи.

Поэтому открытые практически одновременно с НМЛ накопители на магнитных барабанах незамедлительно заняли достойное место в больших ЭВМ. Их основными преимуществами по сравнению с накопителями на магнитных лентах были: гораздо большая емкость, возможность параллельного доступа к информации. Они дали толчок развитию больших и средних ЭВМ.

Но все вышеперечисленные средства хранения информации сильно уступали, сравнительно недавно открытым накопителям на магнитных дисках. Так, НМБ уступают им громоздкостью, надежностью, большей стоимостью единицы информации. Таким образом, фирмы, производящие накопители на магнитных дисках, разорили заводы, выпускающие устаревшие виды продукции.

Итак, рассмотрим внимательно накопители на гибких магнитных дисках, оставляя в стороне жесткие магнитные диски, или винчестеры. В настоящий момент на Российском рынке сложилась следующая обстановка: основной оборот НГМД сосредоточен в городах федерального значения (в первую очередь в Москве) . На многообещающий, но весьма молодой рынок пока вышло не очень большое количество серьезных западных фирм. Среди них выделяются такие гиганты, как Verbatim, известная во всем мире своими дискетами, лазерными и оптическими дисками, TDK, производящая также аудио и видео, кассеты и другое оборудование, Basf, Maxell, 3M, встречаются диски Sony и Polaroid, оборот же других компаний весьма незначителен.

В свою очередь фирменные дискеты дороги, а также их цену поднимают ввозные таможенные пошлины, поэтому они не всегда доступны простым владельцам ЭВМ, встречаются подделки под эти товары, кроме того, еще не преодолена неуверенность мировых гигантов в стабильности РФ, поэтому все вышесказанное мешает полному освоению ими нашего рынка.

Отечественных фирм в данной отрасли нет. Попытки делались, однако технологическое отставание страны в компьютеростроении не позволило проектам успешно реализоваться, ведь они были рассчитаны на советские компьютеры, серии ЕС и другие, существенно уступавшие западным по всем главным характеристикам им в некоторых случаях являвшихся просто неудачными копиями с IBM-совместимых. К сожалению, данные условия изначально обрекали отечественных производителей.

Недавно наш рынок наводнился дешевыми тайваньскими дискетами (тайваньские технологические) . Часто встречаются диски, где страна-производитель вообще не указана, однако все они не могут составить серьезную конкуренцию из-за своего низкого качества.

С другой стороны, развертывающаяся деятельность фирм по продаже программных продуктов требует недорогих, но относительно надежных, удобных для транспортировки дискет. Того же хотят и владельцы недорогих домашних компьютеров, которых, если не учитывать офисные машины, подавляющее большинство.

Лазерные же и оптические диски, несмотря на пророчимый им бум, встречаются пока лишь в единичных экземплярах, так как чрезвычайно большая стоимость дисководов для них, да и самих дисков не позволило им получить широкое распространение.

Таким образом, исследование рынка показало, что сегодня и в перспективе имеется весьма благоприятная ситуация для развития производства НГМД размером 3,5 дюйма и емкостью 1,44 Мбайта, так как они полностью отвечают предъявляемым требованиям. То есть на российском рынке компьютеров и оргтехники существует ниша для рассматриваемого товара.

 

 

Заключение

  

Одной из главных проблем, связанных с использованием дискет, является их недолговечность. Магнитный диск может относительно легко размагнититься от воздействия металлических намагниченных поверхностей, природных магнитов, электромагнитных полей вблизи высокочастотных приборов, что делает хранение информации на дискетах достаточно ненадёжным: даже однократная перевозка дискеты с информацией в общественном транспорте на электрическом ходу (троллейбус, трамвай, метрополитен) может привести к потере информации на дискете.

В настоящее время массовое использование дискет практически прекращено. С 2010 года выпускается большое количество материнских плат для настольных персональных компьютеров, которые вообще не содержат разъёма для подключения дисковода. Из ноутбуков встроенные дисководы полностью исчезли ещё несколькими годами ранее.

Электронные ключи при работе с системами «Банк-клиент», обеспечивающие электронную цифровую подпись документа, ранее распространявшиеся на дискетах, всё чаще выпускаются в виде флэшки с функцией биометрической защиты.

При установке драйверов для оборудования (например, RAID-массива) во время установки современных ОС семейства MS Windows (Windows Vista, Windows Server 2008 R2, Windows 7) также может применяться флэш-накопитель.

В случае отсутствия дисководов, подключаемых в соответствующий «классический» интерфейсный разъём на материнской плате, можно воспользоваться внешним устройством, имеющим USB- или SCSI-интерфейс.