Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.9

Расширение функциональных возможностей металлорежущих станков с ЧПУ путем организации связи между ПЭВМ и УЧПУ при построении адаптивной системы управления Исследование выполнено в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (госконтракт № 14.740.11.0324).

Д.И. Петрешин, О.Н. Федонин, В.П. Федоров, А.В. Хандожко, В.А. Хандожко

Машиностроение и транспорт

Аннотация

адаптивный станок сопряжение информационный

Предложен способ организации связи УЧПУ и ПЭВМ при построении адаптивной системы управления для расширения функциональных возможностей станков с ЧПУ. Приведена структурная схема контроллера сопряжения. Рассмотрена организация функциональных связей и информационных потоков между элементами адаптивной системы управления.

Ключевые слова: функциональные возможности, металлорежущие станки, УЧПУ, ПЭВМ, контроллер сопряжения, адаптивная система управления, информационные потоки, механическая обработка.

Перспективным направлением в управлении ходом технологического процесса является разработка адаптивных систем управления (АдСУ) параметрами качества поверхностного слоя [1; 2]. Большинство современных устройств числового программного управления (УЧПУ) класса PCNC не имеют режима адаптивного управления параметрами качества поверхностного слоя во время механической обработки. Для функционирования АдСУ необходимо получить информацию от датчиков, измеряющих выходные параметры процесса резания, обработать ее и сформировать управляющее воздействие. В связи с этим возникает проблема ввода аналогового сигнала от датчиков в УЧПУ, анализа полученной информации и выработки на основе анализа управляющего воздействия. Данная проблема может быть решена, если использовать внешнюю ПЭВМ. Ее задача заключается в обработке принятой информации и формировании управляющего воздействия. Наличие в УЧПУ класса PCNC развитого интерфейса связи с внешним оборудованием позволяет реализовать адаптивное управление процессом механической обработки и значительно расширить функциональные возможности металлорежущего станка с ЧПУ.

Для связи УЧПУ с ПЭВМ необходимо использовать контроллер сопряжения (КС). КС предназначен для организации обмена информацией между датчиками силы резания и температуры и ПЭВМ, а также ПЭВМ с УЧПУ. Вычисленная величина поправки (подачи, скорости резания и глубины резания) передается от ПЭВМ контроллеру и далее в УЧПУ. В качестве УЧПУ рассматривается устройство NC-201M.

Для организации обмена информацией между датчиками силы резания и температуры и ПЭВМ необходимо учитывать, что от датчиков информация поступает в аналоговом виде, а в ПЭВМ ее следует вводить в цифровом виде через имеющиеся стандартные порты ввода-вывода (COM, LPT, USB). Поэтому в состав КС должны входить элементы, преобразующие аналоговый сигнал, поступающий с датчиков, в цифровой вид и передающие его в ПЭВМ через стандартные порты ввода-вывода. Связь КС с ПЭВМ осуществляется через стандартный последовательный интерфейс связи RS-232.

Наличие модуля ввода-вывода дискретных сигналов в УЧПУ NC-201M, а также возможности программируемой логики станка позволяют настроить УЧПУ таким образом, чтобы можно было изменять условия обработки (подачу, скорость резания и глубину резания) в автоматическом режиме работы УЧПУ посредством внешнего программного управления корректорами подачи и частоты вращения шпинделя. Подача и частота вращения шпинделя могут изменяться в диапазоне от 0 до 127% от первоначально установленных значений (первоначально установленные значения соответствуют 100%) с дискретностью 1%. Поэтому связь УЧПУ с внешним оборудованием, в том числе и с управляющей ПЭВМ, осуществляется через модуль дискретного ввода-вывода сигналов. Для обмена информацией между ПЭВМ и УЧПУ в контроллере необходимо предусмотреть преобразование последовательного цифрового кода, поступающего от ПЭВМ по последовательному интерфейсу связи RS-232, в параллельный код соответствующего уровня напряжения (входное напряжение логического нуля - от 0 до 7 В; входное напряжение логической единицы - от 15 до 30 В).

Модуль дискретного ввода-вывода сигналов УЧПУ предназначен для обмена дискретными сигналами УЧПУ с периферийным оборудованием [3].

Характеристики входов:

· количество входных каналов32(64)

· входное напряжение логического нуля, В0 - 7

· входное напряжение логической единицы, В15 - 30

· номинальный входной ток при напряжении 24 В, мА12

Характеристики выходов:

· количество выходных каналов24(48)

· выходное напряжение логического нуля, В0 - 7

· выходное напряжение логической единицы, В15 - 30

· номинальный выходной ток при 24 В, мА50

Из изложенного следует, что для реализации связи и обмена информацией между ПЭВМ и УЧПУ, а также для управления процессом механической обработки от ПЭВМ необходимо использовать КС, который обеспечивал бы следующее:

· прием аналоговой информации от первичных преобразователей, установленных на технологическом оборудовании, и преобразование ее в цифровой вид для передачи в ПЭВМ;

· передачу информации от первичных преобразователей в ПЭВМ;

· прием управляющей информации от ПЭВМ и передачу ее в УЧПУ;

· связь между ПЭВМ и КС по каналу RS-232;

· связь между КС и УЧПУ через модуль дискретного ввода-вывода сигналов.

Таким образом, на основе сформулированных свойств, которыми должен обладать КС, предлагается структурная схема КС, приведенная на рис. 1 [4].

Основой КС является микроконтроллер (МК) модели AT89С51-24PI. Он управляет получением информации от датчиков силы резания и температуры, передачей этой информации в ПЭВМ и выдачей управляющего воздействия от ПЭВМ в УЧПУ.

Во входной части КС имеются коммутатор каналов и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Коммутатор каналов управляется МК и предназначен для поочередного подключения датчиков силы резания и температуры к входу АЦП. В КС используется один 12-разрядный АЦП последовательного принципа действия с временем преобразования 3,8 мкс.

Выходная информация передается от КС к УЧПУ через буферный регистр и блок опторазвязки. Буферный регистр предназначен для хранения выводимой информации в УЧПУ. В состав буферного регистра входят два регистра разрядностью 8 бит. Каждый из регистров предназначен для хранения информации о величине поправки подачи и скорости резания. Блок опторазвязки реализован на диодно-транзисторной оптопаре.

Для согласования уровней напряжения последовательного канала RS-232 между ПЭВМ и КС используется преобразователь уровня.

Для более полного понимания алгоритма взаимодействия между элементами АдСУ выполним детализацию информационных потоков. В АдСУ можно выделить следующие информационные потоки:

· между датчиками (силы резания Pz и температуры в зоне резания) и контроллером сопряжения;

· между ПЭВМ и контроллером сопряжения;

· между контроллером сопряжения и УЧПУ;

· между контроллером сопряжения и приводом NCDT1700-2.

Рис. 1. Структурная схема модуля сопряжения

Информационные потоки между датчиком тангенциальной составляющей силы резания Pz, датчиком термоЭДС Т, измеряющим температуру в зоне резания, и КС представлены на рис. 2.

Рис. 2. Информационные потоки между датчиками и КС

Так как к КС подключаются два датчика (Pz и Т) одновременно, то после его включения программно устанавливается подключение канала А (тензоусилитель (У1)) мультиплексора (MUX) к АЦП. Подключение необходимого канала к АЦП осуществляется путем задания кода от МК на информационных входах А0 и А1 мультиплексора каналов. После оцифровки сигнала, полученного с тензоусилителя, и его отправки в ПЭВМ к АЦП подключается канал B мультиплексора - усилитель термоЭДС (У2). После оцифровки сигнала, полученного с усилителя термоЭДС, и его отправки в ПЭВМ к АЦП снова подключается тензоусилитель. В табл. 1 представлено соответствие кода, подаваемого на информационные входы мультиплексора каналов, и выбранного канала.

Таблица 1. Соответствие подаваемого кода и выбранного канала

Организация функциональных связей и информационных потоков между ПЭВМ и КС, между КС и УЧПУ и между КС и приводом датчика NCDT1700-2 представлена на рис. 3.

Рис. 3. Информационные потоки между ПЭВМ и КС, между КС и УЧПУ и между КС и приводом датчика NCDT1700-2: RG S и RG V - регистры, хранящие величину коррекции подачи и частоты вращения шпинделя; W1A0 и W1A1 - входные сигналы УЧПУ байтов коррекции подачи и частоты вращения шпинделя; U4A24 и U4A25 - выходные дискретные сигналы УЧПУ; FW - вперед; RV - назад; ИП - исходное положение; КП - конечное положение

Для обеспечения управления периферийными устройствами (УЧПУ, привод NCDT 1700-2 и АЦП контроллера сопряжения) от ПЭВМ в КС через последовательный интерфейс RS-232 передается соответствующая управляющая информация. Так как байт является минимально возможным количеством информации, передаваемой по последовательному порту, а для управления величиной подачи и частотой вращения шпинделя необходим один байт информации, то управляющая информация имеет размер один байт (табл. 2).

Таблица 2. Формат информации, передаваемой от ПЭВМ в КС

Примечание. х - 1 или 0 (в зависимости от величины коррекции).

Структура байтов W1A0 и W1A1, передаваемых от ПЭВМ в УЧПУ для управления подачей и частотой вращения шпинделя, представлена в табл. 3.

Таблица 3. Структура байтов W1A0 и W1A1, передаваемых от ПЭВМ в УЧПУ

Величина корректора подачи или частоты вращения шпинделя определяется путем суммирования значений тех бит, которые установлены в 1. Например, для установки величины корректора F = 89% необходимо установить в 1 биты 0, 3, 4, 6 байта W1A0.

В ПЭВМ от КС необходимо передавать информацию об измеренных силе резания Pz и температуре резания, а также о режиме работы УЧПУ. Для передачи оцифрованного сигнала датчиков от КС в ПЭВМ необходимы два байта (разрядность АЦП - 12), поэтому для унификации размера передаваемой информации в качестве формата передаваемых данных используются также два байта (табл. 4).

Таблица 4. Формат информации, передаваемой от КС в ПЭВМ

Примечание. х - 1 или 0 (в зависимости от кода АЦП после оцифровки измеренного значения).

Размещено на http://www.allbest.ru/

На основании рассмотренных информационных потоков, циркулирующих между элементами АдСУ, были разработаны соответствующие алгоритмы работы и программное обеспечение для КС, УЧПУ и ПЭВМ [5; 6].

Разработанный КС (рис. 4) предназначен для работы с УЧПУ следующих типов: NC200, NC201, NC201M, NC220, NC210, NC110, NC310 [2] и FMS-3000 [7].

Итак, для построения адаптивной системы управления металлорежущим станком необходимо обеспечить обмен информацией между ПЭВМ, УЧПУ и датчиками, контролирующими процесс резания. Взаимодействие между ПЭВМ, УЧПУ и датчиками должно реализовываться с помощью контроллера сопряжения. Детализация информационных потоков позволяет определить алгоритм взаимодействия между элементами АдСУ и формат передаваемых данных.

Список литературы

1. Адаптивное управление технологическими процессами / Ю.М. Соломенцев, В.Г. Митрофанов, С.П. Протопопов [и др.]. - М.: Машиностроение, 1980. - 536 с.

2. Инженерия поверхности деталей / кол. авт.; под ред. А.Г.Суслова. - М.: Машиностроение, 2008. - 320 с.

3. Устройство числового программного управления серии NC201М. Руководство по эксплуатации. - СПб.: Балт-Систем, 2008. - 80 с.

4. Патент РФ на полезную модель № 2009149561/22 (073204), МПК B23Q15/007. Контроллер сопряжения ПЭВМ с УЧПУ класса PCNC / Суслов А.Г., Петрешин Д.И.

5. Петрешин, Д.И. Структура программного обеспечения самообучающейся адаптивной технологической системы / Д.И. Петрешин // Вестн. БГТУ. - 2009. -№ 4. - С. 95-99.

6. Петрешин, Д.И. Алгоритмическое обеспечение самообучающейся адаптивной технологической системы / Д.И. Петрешин // Обработка металлов. - 2006. - № 1. - С. 12-15.

7. Устройство ЧПУ FMS-3000. Руководство по эксплуатации. - Н. Новгород: Модмаш-Софт, 2008. - 125 с.

Материал поступил в редколлегию 26.09.11.

Размещено на Allbest.ru