6.1.4 Копировальные системы управления

Они делятся на механические и следящие.

Механические системы - отличаются тем, что копир воспринимает усилие резания.

Следящие системы - обеспечивают min усилие воздействия на поверхность копира. Это достигается благодаря тому, что считывающие устройство (щуп) воздействует на поверхность копира с усилием, необходимым только для срабатывания соответствующего преобразующего устройства. В качестве последнего в большинстве случаев применяется гидрозолотник. Программоносителем является копир, повторяющий обрабатываемую поверхность в масштабе 1:1 или 1:10 и специальным образом профилированные кулачки, определяющие направление рабочей и копировальной подач.

Рабочая подача - это подача в направлении, в которой инструмент воспринимает max усилие.

Копировальная подача - эта подача обеспечивает постоянный контакт считывающего устройства с поверхностью копира. При обработке сложно фасонных поверхностей всегда возникает ситуация, в которой необходимо осуществить смену направлений рабочей и копировальной подач, чтобы исключить возможность восприятия в направлении копировальной подачи усилий резания или отрыв щупа копировальной системы от копира. Для исключения этого в копировальных системах используют еще один элемент программоносителя, который задает направление копировальной и рабочей подачи. В качестве таких элементов может могут использоваться специальным образом профилированные кулачки. Примером гидрокопировальной следящей системы является станок 96КП.

6.1.5 Аппаратные системы числового программного управления

Возникновение систем ЧПУ позволило расширить область применения станков с программы управлением на такие условия производства, как серийное, мелкосерийное, а в последнее время и на единичное производство. Применение ЧПУ увеличило гибкость не только самой системы управления, но и расширила технологические возможности оборудования. Первые системы ЧПУ решали все задачи управления аппаратными средствами. В связи с совершенствованием элементной базы проходило совершенствование системы ЧПУ, повышалась надежность, расширялись технологические возможности, улучшались условия работы оператора, совершенствовался процесс составления и ввода управляющих программ систем ЧПУ. Для относительно простых деталей и невысоких требований к точности использовались аппаратные системы ЧПУ, имеющих следующую структуру:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6.1 Структурная схема аппаратные системы числового программного управления: БР - блок развязки; ФСУ - фотосчитывающее устройство; П ISO - пульт ввода информации в кодах ISO; МП - пульт с мнемообозначениями; БВИ - блок ввода информации; БУШ - блок управления шпинделем; ИНТ - интерполятор; БЗС - блок задания скорости; БКТ - блок технологических команд; БКГС - блок коррекции геометрии станка; ЦАП Ш - ЦАП шпинделя; ЦАП ПП - ЦАП привода подач.

Во всех аппаратных системах ЧПУ осуществляется по кадровое считывание информации с программоносителя. И это сказывается на быстродействии. Это определяется ограниченным объемом ОЗУ. Недостатками этих систем являются:

- низкая надежность системы;

- низкое быстродействие системы;

- ограниченный объем информации, выводимой через дисплей оператору;

- ограниченные возможности в смысле ввода управляющей программы с пульта оператора;

- отсутствие возможности оперативного настаивания системы ЧПУ на конкретный технологический модуль;

- ограниченные возможности в смысле реализации сложных технологических циклов.

6.2 Классификация систем ЧПУ

Основным признаком, позволяющим произвести классификацию СЧПУ является признак, отражающий характер движения РО в процессе обработки. Этот признак определяется алгоритмом функционирования. Различают:

1. Алгоритм позиционного управления. При реализации данного алгоритма осуществляется перемещение РО в точку пространства, с координатами, заданными программным способом. Процесс перемещения РО производится без обработки. Выполнение операции осуществляется только после выполнения цикла позиционирования. Данный алгоритм используется в станках сверлильной и расточной группы, а так же промышленных роботах.

2. Алгоритм контурного управления. Существуют три разновидности данного алгоритма:

а) контурное управление в прямоугольных координатах. В этом случае перемещение РО в каждый момент времени возможно только по одной координате, т.е. РО перемещается в заданную точку пространства с выполнением конкретной технологической операции. В этом случае программируется координата конечной точки, перемещения и величина подачи на данном участке траектории. При расчете технологических параметров обязательно учитываем эквидистанты.

б) контурное объемное управление. При реализации данного алгоритма осуществляется одновременное согласованное перемещение по двум, трем и более координатам. В этом случае программируется координата конечной точки участка траектории, тип участка траектории (отрезок прямой или окружности), параметры этого участка, подача на данном участке.

в) синхронное (синфазное) управление. Обеспечивает задание и поддержание в течении всей работы требуемого соответствия скорости по отдельным координатам. Применяется на зубообрабатывающих станках.

3. Алгоритм циклового управления. Обеспечивает перемещение РО поочередно по каждой координате, но в этом случае программированию подвергаются: характеристики цикла перемещения (направление, скорость и адрес данных), а величина перемещения, т.е. данные задаются с помощью упоров, кулачков и потенциометрических датчиков.

Сложность алгоритма управления, реализуемого системой ЧПУ, определяется ее элементной базой. В первых СЧПУ, реализованных на элементах с малой степенью интеграции, алгоритмы управления задавались схематично, с помощью аппаратных средств. СЧПУ отличались низкой гибкостью, и были специализированы для конкретного станка.

Появление микропроцессоров, микроЭВМ, привело к увеличению функциональной избыточности систем управления, увеличение их вычислительной мощности. Это привело к расширению класса многоцелевых станков и обрабатывающих центров, к появлению РКТ (робототехнических комплексов), ГПС (гибких производственных систем). Расширение функциональных возможностей СЧПУ привело к увеличению их гибкости и легкой адаптации различных классов технологического оборудования. При возникновении такого класса оборудования, одним из сдерживающих факторов их широкого применения, стали выступать задачи подготовки производства в части подготовки управляющих программ.

Переход на международную систему стандартов кодирования информации позволило:

1) унифицировать и автоматизировать ввод управляющих программ;

2) повысить надежность программного продукта;

3) создать автоматизированную систему подготовки управляющих программ.

Это позволило снять ограничения на применение станков с ЧПУ и сократить сроки подготовки производства для них. В зависимости от принципов организации, СЧПУ делятся на следующие типы:

HNC система ЧПУ, в которую вводят программы обработки, осуществляемые с пульта оператора с помощью мнемонических функций.

NC система построена на специальных вычислительных блоках, выполняющих строго определенную функцию. В них цифровая модель функции управления задана схематично, т.е. с помощью аппаратных средств. Протяженность алгоритма управления определяется аппаратной мощностью системы. Недостатком является невозможность изменения функций управления без нарушения аппаратной целостности.

CNC система ЧПУ построена на основе стандартных вычислительных устройств (мини ЭВМ, ОЗУ, ПЗУ и т.д.) обладающие "мягкой" логикой, функциональные возможности в большей степени определяются программными средствами, чем аппаратными. Система обладает большим запасом вычислительной мощности. Однако использование таких систем в станках с подачей >15-30 м/мин и с требуемой точностью отсчета перемещения порядка 1 мкм практически не возможна, в виду невозможности решения задач управления в этих условиях системы реального времени.

DNC это смешанная система, в которой структура соответствует системе CNC, а блоки, реализующие определенные функции, построены по системе NC, т.е. часть функций управления решается аппаратным, а часть функций управления решается программными средствами.

MRST эта система построена из большого числа одинаковых вычислителях, выполненных на микропроцессорах - комплектах или микроЭВМ. Они представляют жесткую структуру типа NC, с реализацией отдельных блоков или локальных регуляторов типа CNC.

6.3 Обобщенная структурная схема микропроцессорной системы ЧПУ для МРС

Рис. 6. 2. Обобщенная структурная схема микропроцессорной системы ЧПУ

П - процессор предназначен для синхронизации всех процессов и определение и определение способов взаимодействия между функциональными программами, аппаратными и программными средствами.

ОЗУ - оперативно запоминающее устройство, предназначено для хранения промежуточных результатов вычислений при решении задач интерполяции, управление приводом электроавтоматики.

ПЗУ - постоянно запоминающее устройство, предназначено для хранения системного программного обеспечения и стандартных типовых циклов технологического программного обеспечения.

ЭНП - энергонезависимая память станка, приводов, и для хранения архива управляющих программ.

КТПГ - контроллер телеграфного канала предназначен для связи с ЭВМ верхнего уровня, используется в СЧПУ иерархических системах ГПС.

КПО и ПО - пульт оператора и его контроллер предназначены для обмена информацией с оператором и ручного ввода управляющих программ.

КУВУП и УВУП - устройство ввода управляющих программ и его контроллер предназначены для ввода управляющих программ с какого-либо физического носителя.

КП - контроллер привода предназначен для хранения цифровой команды, задания скорости и преобразования ее в аналоговый сигнал со стандартным значением 10В.

КЭА - контроллер электроавтоматики предназначен для выдачи релейных команд управления исполнительными органами станка, работающими в старт-стопном режиме, а так же для сбора информации о нормальном функционировании объекта управления аварийных ситуаций, контроля управления релейных команд управления.

КДОС - контроллер датчиков обратной связи предназначен для первичной обработки сигналов с датчиков, хранения некоторой величины приращения координат и выдачи этой величины по требованию процессора.

Готовность станка - один из важнейших сигналов, характеризующих возможность выполнения в полном объеме всех возложенных на технологический объект функций. Он отражает готовность всех исполнительных органов станка и выполнению возможных на них функций при подачи команд управления. В комплектных приводах для информации о его рабочем состоянии выведены сигналы готовность привода и авария. При использовании других устройств, как правило, приходится самостоятельно формировать аналогичные сигналы. Например: при использовании пневмоприводов в цепь готовности станка необходимо обязательно включить датчик давления в пневмосети. При использовании гидропривода в цепь готовности станка включить следующий сигнал: сигнал подачи напряжения на привод гидронасоса, информация с датчиков давления в нагнетающую магистраль, информация с контактов датчиков уровня масла в баке гидростанции. Как правило, в цепь готовности станка устанавливаются контакты датчиков уровня СОЖ в баке для ее хранения. В цепь готовности станка иногда включают также контакты, характеризующие различные аварийные ситуации.

6.4 Интерфейсы связи системы ЧПУ с объектом управления

Связь системы ЧПУ с агрегатами станка осуществляется через специальные интерфейсы. Для управления приводами формообразующего движения используется контроллер привода. Для управления различными вспомогательными механизмами и агрегатами - контроллер электроавтоматики. Для сбора информации о положении рабочего органа станка используется контроллер датчиков обратной связи.

6.4.1 Контроллер электроавтоматики системы ЧПУ

КЭА - контроллер электроавтоматики предназначен для выдачи команд управления исполнительными органами станка, работающими в старт-стопном режиме, а так же для сбора информации о нормальном функционировании объекта управления, аварийных ситуаций, контроля выполнения релейных команд управления. В качестве таких исполнительных органов используются односкоростные двигатели (двух- и трех-фазные асинхронные), электромагнитные муфты, электромагнитные золотники. На выходе контроллера формируется импульсная или релейная команда управления. Этот выход программно доступен пользователю при использовании:

* вспомогательной функции - М

* функции смены инструмента - Т

* функции дискретного изменения скорости привода

главного движения - S.

Через входной разъём контроллера электроавтоматики система ЧПУ получает релейную информацию о состоянии объекта управления. В частности исходное состояние агрегатов станка контролируется через вход контроллера электроавтоматики "готовность станка".

Система ЧПУ контролирует выполнение функций М, S, Т с помощью входных сигналов контроллера электроавтоматики " ответ М, S, Т ". Через входной разъём контроллера электроавтоматики система ЧПУ получает информацию о начале системы координат станка. Задаёт границы рабочей зоны, в которой осуществляется безаварийное перемещение рабочего органа. Существует три способа выдачи команд управления релейной автоматикой.

1. Потенциальный. Он основан на внутренней дешифрации команд управления. В этом случае команда управления присутствует на выходе в течение всего времени работы соответствующего исполнительного органа и СЧПУ имеет число связей со станком равное общему числу вспомогательных исполнительных органов.

2. Импульсный 1-ый. Он основан на отдельном форматировании сигналов, соответствующих заданному функциональному значению (заданному буквенному адресу) команды и цифрового задания представленного в виде двоично-десятичного кода. В этом случае максимальное число каналов связи с электроавтоматикой равно 3+8=11.

3. Импульсный-2-ой. Он основан на формировании команд управления в виде совместного сочетания соответствующих буквенных адресов и определённого весового кода. В этом случае каждая функция (М,S,Т) на выходе представляет собой байтовую информацию в двоично-десятичном коде. Максимальное число каналов связи с электроавтоматикой равно 3х 8=24.

В любом из импульсных способов время существования команды управления на выходе КЭА гостировано и лежит в пределах 200...250мс. Таким образом при наличии импульсного сигнала на выходе контроллера электроавтоматики дешифратор команд должен обладать свойствами памяти.

Каждый конкретный интерфейс проектируется на соответствующее число входов и выходов. Для упрощения понимания работы принципиальной схемы необходимо указать на ней дешифратор адреса, два буферных регистра как минимум по 8 разрядов на входные и выходные сигналы, оптронные развязки на входах и выходах. Будем предполагать, что на выходах реализуется некоторая дискретная функция, а на входах подключаются конечные выключатели.

Схема интерфейса, использующая 2-ой импульсный способ формирования команд управления электроавтоматикой, показана на рис.1. Расчет выходной оптронной развязки производить, как правило, на напряжение 24 В и ток не менее 200 mA, расчет входной оптронной развязки производить на напряжение 24 В и ток не более 15 mA.



Рис. 6.4

6.4.2 Контроллер привода системы ЧПУ

КП - контроллер привода предназначен для хранения цифровой команды задания скорости и преобразования ее в аналоговый сигнал со стандартным значением 10В.

Модуль программного обеспечения КП и его аппаратная часть -обеспечивают требуемые значения управления на различных участках траектории движения рабочих органов. Реализует движение с учетом участков разгона и торможения, а также требуемой точности позиционирования. В СЧПУ реализуются следующие законы регулирования:

- пропорциональный регулятор

- пропорционально-интегральный регулятор

-пропорционально-дифференциальный регулятор.

Функциональная схема контроллера привода (КП) или узла связи с приводом (УСП) так же, как и его принципиальная схема существенно зависят от типа выбранного ЦАП. Однако во всех случаях на функциональной схеме должно быть показано необходимое количество каналов (2 или 3) устройство распознания адреса (дешифратор адреса) необходимые элементы управления работой ЦАП, регистр ошибки, собственно ЦАП, необходимые оптронные развязки и т.д.

Разрядность регистра ошибки nRO определяется величиной скоростной ошибки, выраженной в единицах дискреты:

, (1)

где К - коэффициент усиления (или добротность позиционного контура) СЧПУ, 1/с;

- величина дискреты, мм/имп.

Например, если в исходных данных К = 100 1/с, а = 410-4 мм/имп (ВЕ 51) и Vmax = 10 м/мин, то

ед., т.е. nRO = 11

Наиболее важными характеристиками ЦАП, определяющими работу узла связи СЧПУ с приводом, является разрядность преобразуемого кода и время преобразования. При выборе разрядности ЦАП необходимо обеспечить требуемый диапазон регулирования скорости. Диапазон регулирования скоростей приводов подач в станках, как правило, лежит в пределах от Д = 1000:1 до 10000:1. Разрядность ЦАП

nRЦ = log2 Д. (2)

Передача информации от СЧПУ к ЦАП, как правило, осуществляется на постоянной несущей частоте

fK (510) C /2,

где C - частота среза привода. На основании анализа асимптот логарифмических амплитудно- частотных характеристик в первом приближении частоту среза для m = КТ > 1 можно определить из выражения:

, (3)

Для случая m = KT < 1 .

Время преобразования ЦАП n должно удовлетворять условию (4).

(4)

В этом случае быстродействие ЦАП практически не сказывается на динамику станка. Исходя из рассчитанных значений nRЦ и n выбирают нужный ЦАП. ЦАП может работать в двух режимах - двукратного и четырехкратного умножения.

В режиме четырех кратного умножения для всего диапазона преобразуемых кодов выходное напряжение имеет один знак. Однако приводы станков реверсивные, что требует двуполярного выходного напряжения. В силу этого работу ЦАП надо организовать таким образом, чтобы напряжение на выходе меняло знак. Это может быть достигнуто путем переключения знака опорного напряжения на входе ЦАП или использование специальных схем, устанавливаемых на выходе.

В режиме двукратного умножения весь диапазон входных кодов разбивается пополам за счет соответствующего включения самого ЦАП. При этом разрядность входного кода уменьшается ровно вдвое. На это стоит обратить внимание при построении аппаратной части преобразователя. Для глубоко регулируемых приводов входной код, преобразуемый в напряжение имеет значительную разрядность. В этом случае необходимо использовать специализированные схемы ЦАП [5]. Пример подключения ЦАП к каналу микроЭВМ показан на функциональной схеме рис. 1.

В ее состав входит буферный регистр памяти D2, соответствующей разрядности. Регистр имеет входы управления для выбора микросхемы (CS) и записи (С). Выбор микросхемы осуществляется по адресу, формируемому на выходе элемента D8. Все выходы буферного регистра подключены к ЦАП через оптронные развязки, которые обеспечивают гальваническую развязку СЧПУ от периферийных устройств. Это способствует повышению ее надежности и помехозащищенности. Необходимо выбрать тип оптронов и рассчитать параметры сопротивлений. Один из разрядов регистра D2 используется для передачи информации о знаке. Выход этого разряда подключается к соответствующим входам мультиплексора D9, обеспечивающего переключение знака опорного напряжения на входе ЦАП D3. Микросхема D4 преобразует выходной ток ЦАП в напряжение. В качестве ЦАП может использоваться преобразователь с встроенными регистрами и дополнительными каналами управления. Элемент D1 используется как буферное устройство между внутренне шиной КП и магистралью системы ЧПУ.

В ее состав входит буферный регистр памяти D2, соответствующей разрядности. Регистр имеет входы управления для выбора микросхемы (CS) и записи (С). Выбор микросхемы осуществляется по адресу, формируемому на выходе элемента D8. Все выходы буферного регистра подключены к ЦАП через оптронные развязки, которые обеспечивают гальваническую развязку СЧПУ от периферийных устройств. Это способствует повышению ее надежности и помехозащищенности. Необходимо выбрать тип оптронов и рассчитать параметры сопротивлений. Один из разрядов регистра D2 используется для передачи информации о знаке. Выход этого разряда подключается к соответствующим входам мультиплексора D9, обеспечивающего переключение знака опорного напряжения на входе ЦАП D3. Микросхема D4 преобразует выходной ток ЦАП в напряжение. В качестве ЦАП может использоваться преобразователь с встроенными регистрами и дополнительными каналами управления. Элемент D1 используется как буферное устройство между внутренне шиной КП и магистралью системы ЧПУ.



Рис. 6.5.

Для каждой конкретной системы ЧПУ характерны свои особенности построения КП. Однако они содержат все функциональные блоки приведённые на обобщенной схеме (рис. 1.)

6.4.3 Контроллер датчиков обратной связи

КДОС - контроллер датчиков обратной связи предназначен для первичной обработки сигналов с датчиков, хранения некоторой величины приращения координат и выдачи этой величины по требованию процессора

Модуль программного обеспечения кагала измерения предназначен для реализации алгоритма преобразования информации с датчика перемещения, её накапливания и анализа. Алгоритм определяется типом датчика. В нем предусмотрены средства для диагностики аппаратной части и проверки достоверности поступающей информации.

Измерительная система состоит из ДОС и преобразующего устройства. В качестве ДОС в станкостроении используются самые различные датчики. В большинстве случаев это два типа датчиков: фото импульсный типа ВЕ-51 (ВЕ-178) и индуктивные: вращающийся трансформатор (ВТ) и сельсин типа БС-155. Сельсин может работать в нескольких режимах. Однако в станочных системах они используются в фазовом режиме при этом выходной сигнал определяется

, (1)

где - сдвиг фазы выходного напряжения относительно опорного напряжения

;

- частота изменения опорного сигнала.

В фазовом режиме имеет место линейность преобразования угла поворота датчиков в фазовый сдвиг выходного напряжения . Коэффициент преобразования ДОС

 (2)

Измерительная система должна обеспечивать:

- требуемую точность измерения, что определяется единицей дискреты;

- преобразование фазного сдвига в код;

- абсолютное измерение перемещение во всем диапазоне.

Величина единицы дискреты () обуславливается ценой оборота ДОС (ОД) и числом делений фазы (q). В зависимости от шага ходового винта (hВ) ДОС сочленяется с ним непосредственно или через приборный редуктор с передаточным числом i.

; (3)

Традиционно применяется шаг винта (hВ) из ряда 5, 8, 10, 15, 20 мм. Преобразование фазовый сдвиг- код (ПФК) целесообразно осуществлять с помощью время импульсного ПФК. Принцип его основан на преобразовании фазного сдвига во временной интервал. Он заполняется импульсами частотой fr, образовавшееся их число подвергается счёту.

fr = fДОС q (4)

где fДОС - частота изменения питающего напряжения ДОС.

(Для БС 155 принять fДОС = 4001000 Гц).

Для питания ДОС необходимо сформировать трехфазное напряжение со сдвигом 1200.В качестве примера рассмотрим схемное решение контроллера измерительной системы с ДОС типа сельсин рис. 1.

Схема содержит формирователи трех синусоидальных напряжений сдвинутых относительно друг друга на 1200 (D5, D6, D7, OP1, D9, D10, D11, D13, D14, D15, OP13) и подаваемых на обмотки питания сельсина. Каналы идентичны и отличаются лишь тем, что в элементах D5, D9, D13 (ПЗУ) записаны коды синусоид, сдвинутых на 1200. Для формирования значения синуса во всех четырех квадрантах используется устройство управления D8. Выходной сигнал с ДОС поступает через формирователь D21 на триггер D16. Время его открытого состояния соответствует фазовому сдвигу сигнала с ДОС относительно опорного сигнала. Этот интервал заполняется частотой fr с делителя частоты D1. Таким образом, код в счетчике D19 является кодом фазового сдвига. Далее этот код переписывается через оптронную развязку ОР 4 в буферный регистр D20 и с него считывается процессором. Формирование абсолютного перемещения осуществляется программным способом.

Алгоритм определения абсолютного отсчета основан на суммировании текущего кода фазы К, кода константы L, соответствующего одному обороту датчика. При n оборотах датчика код соответствующий абсолютному перемещению равен

N = K + n L (5)

Константа одного оборота

L = log2 q .

Для формирования сигнала поворота ротора ДОС на ОДИН оборот и направления движения используется последовательность измерений L1 <L2 < < Li <L. Причем Li < L.



Рис. 6.5.

На основании анализа очередности достижения кодом фазы K значений Li делается заключение о направлении перемещения и завершении одного оборота. Как правило, L1 = 0, Ln = L. При движении в прямом направлении происходит изменение кодов в очередности L1, L2, L3 Ln, L1, L2 Причем переход Ln L1 соответствует завершению оборота.

При движении в обратном направлении Ln, Ln-1, L3, L2, L1, Ln, Ln-1 то есть переход L1 Ln соответствует завершению оборота в другом направлении.

Время формирования текущего значения измеряемых координат

= 0 + АП + Р, (6)

где 0 - время получения кода фазы с датчика, с;

АП - время задержки в аппаратной части измерительной системы;

Р - время расчета абсолютного перемещения.

В первом приближении для оценки можно считать 0 = 1/ fДОС

Однако с целью разделения интервалов измерения и считывания информации целесообразно

(7)

Задержка аппаратной части определяется на основании принципиальной схемы измерительной системы и равна времени необходимого процессору на обслуживание прерывания (АП 25 мкс). Время расчета Р - определяется сложностью алгоритма расчета и необходимой разрядностью. В расчетах можно принять Р = 0,52 мс. Очевидно, что при максимальной скорости перемещения за не должно происходить полного оборота ДОС, т.е.

(8)

В противном случае происходит потеря информации в цепи ДОС и ее разрыв.

Для фотоимпульсного датчика необходимо определить передаточное число приборного редуктора

I = OД / hB (9)

Разрядность первичного счетчика импульсов зависит от такой характеристики ДОС, как число импульсов на оборот (%). Она определяется из зависимости

(10)

Принципиальная схема интерфейса содержит кроме реверсивного счетчика схему определения направления перемещения, дешифратор адреса, буферный регистр и канал запроса на прерывание от нуль метки датчика. Схема интерфейса показана на рис. 2., в ней для упрощения схемного решения не предусмотрено увеличение разрешающей способности ДОС путем удвоения или учетверения числа импульсов с датчика.

Следует отметить, что в микропроцессорном комплекте серии К 1801 имеется специальная БИС К 1801ВП 1-015, предназначенная для связи процессора с фотоимпульсными датчиками, решающая все перечисленные выше задачи. В КДОС системы ЧПУ 2Р 32 используется замкнутая следящая система за числовым значением перемещения.

6.5 Программное обеспечение СЧПУ

Для увеличения гибкости и живучести СЧПУ, их программное обеспечение (ПО) строят по модульному принципу, соответствующему блочно-модульному построению аппаратных средств. Все ПО можно разделить на две части:

- базовое или системное ПО;

- технологическое или групповое.

Системное ПО является общим для различных групп технологического оборудования. Технологическое ПО ориентировано на определенный тип станков.

Все блоки системного ПО определяют операционную систему (ОС) реального времени. Она строится по иерархическому принципу и состоит:

- ядра операционной системы;

- диалогово-дисплейного монитора;

- интерпретатора;

- интерполятора;

- модуля тестов самодиагностики;

- модуля контроллера привода;

- модуля КЭА;

- модуля обработки сигнала канала измерения.

Ядро операционной системы обеспечивает синхронизацию всех процессов в СЧПУ, задает протокол обмена информации между функциональными программами, аппаратными и программными средствами.

Диалого-дисплейный монитор - задает протокол обмена информации между оператором и СЧПУ, распределяет ресурсы дисплея между решаемыми задачами.

Итерпретатор - предназначен для преобразования информации с внешнего языка на язык машинных команд.

Интерполятор - обеспечивает координацию перемещения приводов станка по различным координатам в процессе реализации заданной траектории движения.

Модуль тестов самодиагностики - предназначен для контроля погромных и аппаратных средств на max доступную глубину. Тесты выполняются в двух режимах:

- в момент включения СЧПУ подвергаются проверке до 80% аппаратных и программных средств;

- в фоновом режиме при выполнении управляющей программы.

Модуль контроллера привода -обеспечивает требуемые значения управления на различных участках траектории движения рабочих органов. Реализует движение с учетом участков разгонки и торможения и требуемой точностью позиционирования. В СЧПУ реализуются:

- пропорциональный регулятор

- пропорционально-интегральный регулятор

- пропорционально-дифференциальный регулятор.

Модуль КЭА (программный). В СЧПУ высокого уровня с помощью специальных языковых средств (Ярус 2), имеется возможность перепрограммировать внутренние дешифраторы команд управления. Кроме этого, программный модуль ЭА задает одну из гостированных (импульсную постоянную) процедуру обмена информации с внешними устройствами. Модуль реализует программный доступ для пользователя при формировании команд управления агрегатами станка по ходу выполнения управляющих команд.

Модуль обработки сигнала канала измерения -предназначен для реализации алгоритма преобразования информации с датчика перемещения. Алгоритм определяется типом датчика. В нем предусмотрены средства для проверки достоверности поступающей информации. Технологические возможности станков с программным управлением в значительной степени зависит от объема технологического ПО. Основным элементом ТПО являются типовые циклы, реализуемые с помощью подпрограмм, имеющих имя подготовительной G-функции.

6.6 Программирование СЧПУ

Отличительной особенностью технологических процессов (ТП) для станков с ЧПУ является:

- ограниченное число операций в маршрутном ТП с max проработкой операционной технологии. Это объясняется стремлением к max концентрации операций на одном рабочем месте при применении станков с ЧПУ. При разработке технологического перехода кроме известных этапов выполняется ряд специфических этапов:

- определение координат исходной точки инструмента

- построение траектории инструмента с учетом эквидистанты.

Расчет траектории движения инструмента заключается в определении координат опорных точек и выборе характера движения или типа траектории между точками (отрезок, дуга, окружность).

6.6.1 Кодирование информации

Управляющая программа записывается в виде последовательности кадров, имеющих свою структуру и состоящих из слов, расположенных в определенном порядке. Каждый кадр УП содержит слово < Номер кадра> и одно или несколько слов, расположенных в определенном порядке. Кадр УП может содержать слово < Подготовительная функция>, < Размерное перемещение>, < Функция подачи >, < Скорость главного движения >, < Функция инструмента > и < Вспомогательная функция >. Слово, в свою очередь, состоит из буквенного символа (адреса) и следующей за ним числовой информации, представляющей собой число со знаком или целочисленный код. Буквенный адрес указывает вид описываемой словом информации. Обозначение символов адресов приведено в табл.1. Например, слово Х-001500 означает команду на перемещение инструмента по оси Х в отрицательном направлении на 1500 единиц дискретности.

Таблица 1.

Символы адресов	Значения символов
A, B, C D Е F G I, J, K М N P, Q R S Т U, V, W L H	Угловые перемещения, соответственно, вокруг осей X,Y,ZУгловое перемещение вокруг специальной оси (или третья функция подачи, или коррекция инструмента)Угловое перемещение вокруг специальной оси (или вторая функция подачи или номер кадра перехода)Функция подачиПодготовительная функция Параметры интерполяции или шаг резьбы, соответственно, вдоль осей X,Y,Z Вспомогательная функция Номер кадра Третьи функции перемещений, параллельных, соответственно, осям X и Y (или параметры коррекции инструмента,или параметры подпрограмм) Третья функция перемещения, параллельного оси Z (или параметр коррекции инструмента) Скорость главного движения (шпинделя) Функция инструмента Вторые функции перемещений, параллельных, соответственно, осям X,Y,Z Обращение к подпрограмме Количество повторений участков программы

Примечания:

1.Символы Н и L могут быть не определены.

2. Если символы D,E,P,Q,R,U,V,W не используются в системе ЧПУ в указанных в таблице значениях, то они могут быть применены в качестве других специальных значений.

Управляющая программа составляется таким образом, чтобы в одном кадре записывалась только та геометрическая, технологическая и вспомогательная информация, которая изменяется по отношению к предыдущему кадру.

Каждая управляющая программа должна начинаться символом

< Начало программы>.

Слова в каждом кадре УП должны записываться в следующем порядке:

<Номер кадра>, <Подготовительная функция>, <Размерные перемещения>,

<Функции подачи>, <Скорость главного движения>, <Функции инструмента>, символ < Конец кадра>.

Слово <Номер кадра> используется для обозначения элементарного

участка УП и служит вспомогательной информацией. Номер кадра задается адресом N и целым десятичным числом. Рациональна последовательная нумерация кадров, однако допускаются любые переходы номеров и строго оговаривается лишь их не повторяемость в пределах одной УП. Во избежание изменения в процессе редактирования ранее установленной последовательности практикуется производить запись номеров кадров основной программы в старших разрядах слова <Номер кадра>. Тогда при нумерации новых кадров используются младшие разряды этого слова. Например, если между 15-м и 16-м кадрами УП необходимо вставить два новых кадра, последовательность кадров будет выглядеть так: N 150, N 151, N 152, N 160.

Слово <Подготовительная функция> определяет режим работы системы ЧПУ. Это слово задается адресом G и двузначным десятичным кодовым числом. Функция G действует до тех пор, пока она не будет заменена или отменена другой функцией. В кадре не может быть записано более одной подготовительной функции из основной группы. Значения различных подготовительных функций приведены в таблице 2.

Функции G94, G97 - отрабатываются по умолчанию.

Слово <Размерное перемещение> предназначено для задания геометрической информации. Это слово записывается в кадре в следующем порядке адресов: X,Y,Z,U,V,W,P,Q,R,I,J,K,A,B,C,D,E.

Таблица 2

Вспомогательные функции	Область действия функции	Наименование	Значение
G00	I	Позиционирование	Перемещение на быстром ходу в заданную точку. Ранее заданная рабочая подача не отменяется. Перемещения по осям могут быть не координированы.
G01	I	Линейная интерполяция	Перемещение с запрограммированной подачей по прямой к точке
G02, G03	I	Круговая интерполяция	Движение по дуге окружности соответственно в отрицательном и положительном направлении с запрограммированной подачей
G04	-	Пауза	Выдержка в отработке на определенное время, установленное на пульте или заданное в кадре
G06	I	Параболическая интерполяция	Движение по параболе с запрограммированной подачей
G08	-	Разгон	Плавное увеличение скорости подачи до запрограммированного ее значения в начале движения
G09	-	Торможение в конце кадра	Плавное уменьшение скорости подачи до фиксированного значения при приближении к заданной точке
G17,G18, G19	II	Плоскость обработки	Задание соответственно плоскостей XY,ZX,YZ для таких функций, как круговая интерполяция, коррекция режущего инструмента и др.
G33,G34, G35	I	Нарезание резьбы	Нарезание резьбы соответственно с постоянным, увеличивающимся или уменьшающимся шагом
G63	XIX	нарезание резьбы	метчиком
G64	-	обработка	Контурная обработка
G90	VII	Абсолютный размер	Отсчет перемещений в абсолютной системе координат с началом в нулевой точке системы ЧПУ
G91	VII	Размер в приращениях	Отсчет перемещений относительно предыдущей запрограммированной точки
G92	-	Установка абсолютных накопителей положения	Изменение состояния абсолютных накопителей положения т.е. задание новой системы координат
G94, G95	VII	Единица измерений подачи	Скорость подачи соответственно в мм/мин и в мм/об
G96, G97	XIV	Скорость	Скорость резания постоянная Отмена G96
G41,G42 G40 G43,G44 G49	IV XV	Коррекция инструмента	На радиус, соответственно, левая и правая Отмена Положительная и отрицательная Отмена

Числа, стоящие после буквенных адресов в словах <Размерные перемещения>, означают либо координаты опорных точек траектории инструмента (абсолютные размеры), либо приращения координат этих точек (размеры в приращениях). Размеры записываются целыми числами со знаком с учетом дискретности задания размеров для конкретной системы ЧПУ. При этом знак "+" может не указываться. Траектория инструмента может содержать участки перемещений на быстром ходу и участки линейной, круговой или параболической интерполяции, которые инструмент проходит на рабочей подаче. Характер перемещения задается в кадре соответствующей подготовительной функцией GOO, GOI, GO2, G03 или G06, если она не была запрограммирована в предыдущих кадрах УП, с адресами размерных перемещений (X,Y,Z...).

Начальная точка каждого участка интерполяции (кроме первого, в начальной точке которого инструмент должен находиться перед началом обработки) является одновременно конечной точкой предыдущего участка, поэтому в кадрах УП задается информация только о конечных точках.

Размерные перемещения на участке траектории, который инструмент

проходит на быстром ходу, записывается в одном кадре для выполнения одновременного движения по заданным осям или в нескольких кадрах, если движение осуществляется раздельно вдоль каждой из осей.

Слово <Функция подачи> может определять как результирующую скорость подачи, так и составляющие этой скорости, разложенной по координатным осям. В кадре результирующая скорость подачи записывается под адресом F после всех слов <Размерное перемещение>. Слово <Функция подачи>, относящееся к определенной оси координат, записывается непосредственно за словом <Размерное перемещение> по этой координате. Размерность скорости подачи кодируется подготовительной функцией G94, если единицей ее измерения является мм/мин, или подготовительной функцией G95, если подача задается в мм/об.

Слово <Скорость главного движения> записывается с адресом и определяет линейную скорость точки приложения инструмента в мм/мин или частоту вращения шпинделя в об/мин.

Для кодирования скоростей подачи и главного движения <скорости резания> применяются методы прямого обозначения, геометрической и арифметической прогрессии и символический.

Слово <Функция инструмента> используется для указания инструмента и корректора. В этом случае с адресом Т записывается кодовое число одной или двумя группами цифр. Одна группа цифр в слове <Функция инструмента> задает только номер инструмента и его позицию, а корректор для этого инструмента определяется другим словом с адресом D. Если групп две, то вторая группа цифр определяет номер корректора длины, положения или диаметра инструмента. Например, в слове ТО 914:Т - адрес, 09 - номер инструмента, 14 - номер корректора. Если программируется номер инструмента без указания корректора, то вторая группа цифр содержит нули (ТО 900), а если программируется корректор для заданного в одном из предыдущих кадров инструмента, то нули содержит первая группа цифр (Т 0014).

Слово <Вспомогательная функция> задает команду исполнительному органу станка или системе ЧПУ. Вспомогательные функции задаются словами с адресом М и двузначным десятичным кодовым числом. Вспомогательные функции разделены на группы в зависимости от того, начинает ли данная функция действовать до начала перемещения, запрограммированного в данном кадре или после выполнения перемещения в данном кадре. Значения некоторых вспомогательных функций приведены в таблице 3.

Таблица 3

Вспомогательная функция	Начало действия	Продолжительность действия	Наименование	Значение
М 00	II	II	Программируемый останов	Останов шпинделя и выключение охлаждения. Работа УП возобновляется после нажатия соответствующей кнопки на пульте управления
М 01	II	II	Останов с подтверждением	То же, что и М 00, но выполняется при предварительном нажатии кнопки на пульте управления.
М 02	II	II	Конец программы	Останов шпинделя и выключение охлаждения. Приведение в исходное состояние управляющего устройства и возврат рабочих органов станка в исходное положение, а также протягивание перфоленты, склеенной в кольцо, или обратная перемотка.
М 03, М 04	I	I	Вращение шпинделя по часовой стрелке	Включение шпинделя соответственно в отрицательном или положительном направлении вращения
M05	II	I	Останов шпинделя	Останов наиболее эффективным способом, например, торможением
М 07, М 08	I	I	Включение охлаждения	Включает охлаждение соответственно N2 и N1
М 09	II	I	Отключение охлаждения	Отменяет команды, заданные функциями М 07, М 08, М 50, М 51
М 10, М 11	I	I	Зажим и разжим	Относятся к зажимным приспособлениям подвижных органов станка, например, стола, патрона и т.п.
М 19	II	I	Останов шпинделя в заданной позиции	Команда на останов шпинделя в определенном угловом положении
М 30	II	II	Конец ленты	То же, что и М 02,но с возможностью обращения ко второму считыванию информации с перфоленты
М 38, М 39	I	I	Диапазон частот вращения шпинделя	Задает диапазон частот вращения соответственно шпинделя N1 и N2

6.6.2 Программирование перемещений рабочего органа

Программирование любого движения системы станок- приспособление- инструмент- деталь (СПИД) осуществляется в некоторой системе координат. Для составления управляющей программы используется система координат детали, которая совмещается с системой координат станка. Стандарты ISO (International Standart Organization) определяют выбор координатных осей для различных типов станков с ЧПУ. Указание направления перемещений режущего инструмента производится в предположении, что движется только инструмент, а обрабатываемая деталь остается неподвижной. На самом деле часто происходит наоборот - перемещается деталь (закрепленная, например, на столе сверлильного или фрезерного станка) относительно инструмента, занимающего фиксированное положение в пространстве. Однако при программировании движений системы СПИД несущественно, каким образом обеспечивается движение инструмента по одной из осей: его собственным перемещением в заданном направлении или движением стола станка в противоположном направлении. На рис.1 показано расположение координатных осей на токарных станках, а на рис.2 - на сверлильных и фрезерных станках.

Программирование движений инструмента для сверлильных и фрезерных станков с ЧПУ осуществляется в пространстве X Y Z (рис.6.7), а для токарных станков в плоскости X Z (рис.6.6). Положительные направления вращательных движений инструмента, которые по стандарту ISO обозначаются буквами А, В, С, определяются по "правилу винта".

Если станок имеет несколько рабочих органов (столов, суппортов, бабок и т.д.), то перемещения вдоль осей координат главного рабочего органа обозначают XYZ, перемещения вдоль осей в обратном направлении - X'Y'Z' (рис.6.8). Данные о конструкции станка с ЧПУ, необходимые для программирования его работы, содержатся в паспорте станка и инструкции по программированию.

Для согласования системы координат детали, в которой заданы координаты опорных точек траектории инструмента, с системой координат станка применяется программируемый сдвиг нуля, который кодируется в кадре УП подготовительной функцией G92.Этот кадр отрабатывается без перемещения рабочих органов станка. Программируемый сдвиг нуля используется и для учета в УП различных вылетов инструментов при их смене. Например, после поворота резцедержателя для замены инструмента с вершиной, расположенной в точке Т 1, на инструмент с вершиной, расположенной в точке Т 2, превращение координат вершины инструмента также задается функцией G92.

Позиционирование вершины инструмента в заданную точку на быстром ходу кодируется подготовительной функцией G00. Движение рабочих органов станка при отработке кадра с функцией G00 начинается одновременно по всем заданным осям, и поэтому скорости и направления инструмента относительно детали зависят от приращений координат. Если позиционирование необходимо провести раздельно по осям, то по каждой координате оно задается отдельным кадром.

Пример структуры кадра для системы ЧПУ МС 2101 (2Р 32):

N03 G03 X+53000 Z-53000 (C=53000) I+53000 J+53000 (R+53000) F30 S2000 (S05) T03 D15 M03.

Пример структуры кадра для системы ЧПУ Электроника НЦ 31 (символ *-означает принадлежность элементов к одному кадру, последний элемент которого не имеет указанного символа)

N05 G03 *

N06 X+53000*

N07 Z-53000*

N08 P1+53000*

N09 P2+53000*

N10 F30

Несмотря на имеющуюся возможность оперировать кадрами большой длительности на практике стараются приводить их к относительно небольшим размерам. Элементы, требующие большого времени на исполнение, выделяют в отдельные функционально обособленные кадры.

6.7 Средства обеспечения функционирования системы ЧПУ в составе технологического оборудования

6.7.1 Система координат станка

Система координат станка задается для СЧПУ с помощью специальным образом расставленных конечных выключателей. Координаты нуля станка так же как и координаты других фиксированных точек, нуля детали хранятся в области параметров станка энергонезависимой памяти. СЧПУ типа МС 2101 имеет возможность хранить координаты до восьми фиксированных точек. Кроме этих точек в области параметров станка хранятся координаты границ рабочей зоны станка (точки А и В -внешняя граница; С и D -внутренняя граница). Для выхода в фиксированную точку предусмотрена команда G37.

Пример фрагмента управляющей программы:

N01 G37 P1

N02 G92 X+X1 Z+Z1

N03 G00 X-X1 Z-Z1

Формат команды G37 может в области данных содержать либо имя фиксированной точки R1, либо ее координаты. Оператор G92 устанавливает абсолютные накопители, т.е. задает положение системы координат детали относительно системы координат станка.

G00 - это позиционирование на ось с координатами детали. Структура данного кадра либо задает координаты точек позиционирования, либо по умолчанию воспринимает позиционирование в ноль абсолютной системы отсчета.

6.7.2 Корректоры

В траектория движения инструмента нас интересует не фиксирование координаты центра резцедержателя, а координата режущих кромок инструмента, положение которого для каждого инструмента свое, то необходимо вводить коррекцию в траекторию движения. Коррекция задается с помощью корректоров, расположенных в области параметров энергонезависимой памяти.

Корректор - это координата режущей кромки резца относительно центра резцедержки.

Для системы МС 2101 вызов и учет корректоров осуществляется с помощью функции Т, в которой номер инструмента соответствует номеру корректора.

Фрагмент управляющей программы:

N0 G37 P1

N1 G92 X +X1 Z+Z1

N2 G00 X-X2 Z-Z2 T1

N3 G01 X-0 Z-Z3 F050

N4 G00 X+X4 Z+Z4 T0

Заявка на учет корректора для инструмента N1 осуществляется в начале кадра N2 при смене инструмента; окончательный учет корректора осуществляется в процессе движения рабочего органа при выполнении цикла позиционирования. При этом учитываются сразу оба корректора по координате X и Z. Учет корректоров осуществляется и во всех последующих кадрах (N2, N3). Указания оператора Т с нулевым номером производит от мену предыдущих корректоров. Нельзя задавать новый корректор если не отменен старый. Применение в управляющих командах адреса D для установки корректоров аналогично описанному выше.

6.7.3 Область параметров СЧПУ

Функциональные возможности систем ЧПУ определяются не только аппаратными, но и программными средствами. У пользователя за счёт изменения определённых констант задаваемых программным способом открывается возможность подстраивать её к решению конкретных задач. Эти константы хранятся в специальной области энергонезависимой памяти, так называемой области параметров. Её наличие и размеры говорят об уровне гибкости системы ЧПУ. Современные системы позволяют подстраиваться не только к технологическому оборудованию в пределах одной группы, но и к станкам из других групп. Параметры позволяют настроить систему на конкретные кинематику, приводы подач, способы формирования команд управления электроавтоматикой, измерительные каналы, циклы позиционирования, технологические циклы и т.д.

К этим параметрам в частности относятся

- характеристики ступеней переключения скорости привода главного движения;

- номера внешних устройств;

- коэффициент умножения схемы преобразования сигналов с ДОС;

- характеристики цикла позиционирования;

- люфт привода подач;

- ограничения по max ускорению;

- время ожидания выполнения команд электроавтоматики;

- максимальные значения скоростей перемещения при выполнении циклов позиционирования (G00);

- максимально допустимые скорости перемещения по координатам;

- чувствительность датчиков обратной связи по перемещению;

- разрядность регистра ошибок контроллера привода подач;

- добротность контура по перемещению;

- шаг ходового винта;

- коэффициент редукции приборного редуктора;

- величина отскока инструмента при выполнении многопроходных циклов обработки и т. д.

6.7.4 Задачи системы ЧПУ

СЧПУ решает следующие задачи:

- управления приводами;

- геометрическая (определение траектории движения рабочего хода);

- технологические задачи (задание режимов обработки, организация циклов и т.д.);

- диагностики;

- дисплейные задачи (задачи обеспечения обмена информацией СЧПУ с оператором).

Одна из самых больших и сложных задач, решаемых СЧПУ и занимающих наибольшее процессорное время - это геометрическая задача. На нее отводится не более 30% процессорного времени. Необходимость решения этих задач в реальном времени и ограниченные возможности процессорного блока по быстродействию в СЧПУ, накидывают свои ограничения на сложность алгоритмов, а следовательно на точность решения геометрических задач. В большинстве случаев при решении геометрических задач используются два принципа:

1) принцип цифрового дифференцирования;

2) принцип оценочных функций.

Одним из примеров использования принципа оценочных функций является алгоритм по кодовой интерполяции. В процессе интерполяции координируется движение приводов по осям координат станка.

...