Главная > Машиностроение

Виды систем программного управления. Типовая структурная схема системы чпу

Машиностроение является основой успешного развития всех отраслей народного хозяйства. Эффективность машиностроительного производства и качество выпускаемой продукции в значительной степени определяются уровнем его автоматизации. Главное направление в автоматизации машиностроительного производства в настоящее время основывается на широком внедрении цифровых вычислительных устройств и машин.

Для управления универсальными станками и другим технологическим оборудованием применяются системы числового программного управления (СЧПУ).

СЧПУ управляют перемещением рабочих органов станков и оборудования, их скоростью при формообразовании деталей, установочными перемещениями, а также последовательностью режимов обработки и вспомогательными функциями.

Управляющие программы СЧПУ содержат два вида информации, необходимой для автоматической работы станков (оборудования): геометрическую и технологическую. Геометрическая информация включает в себя данные о форме, размерах элементов детали и инструмента, а также об их взаимном положении в пространстве.

Технологическая информация представляет собой указания о последовательности ввода в работу инструментов, изменении режимов резания, смене инструментов, включении подачи охлаждающей жидкости и т. п.

Технологическая информация используется для управления и в других программных устройствах, например в системах циклового программного управления (СЦПУ). Геометрическая информация в СЦПУ реализуется переналаживаемыми упорами, размещенными непосредственно на станке (оборудовании). Преимущества СЦПУ в их большой универсальности, возможности быстрой переналадки, корректировки программы и включения в более сложные комплексные системы автоматизированного производства. СЧПУ относятся к сложным многоконтурным САУ, так как одновременно управляют несколькими независимыми или связанными параметрами объекта (координатами). Соответственно в структуре СЧПУ имеется несколько контуров (каналов) управления. Так, например, в металлорежущих станках СЧПУ управляет одновременно главным движением формообразования, движением подачи и вспомогательными движениями: транспортировки, закрепления, отвода и подвода, смены инструмента и т.д.

СЧПУ классифицируются по следующим признакам: структуре и принципу (алгоритму) управления, назначению, виду привода, характеру движения привода, способу задания программы.

По структуре СЧПУ делятся на разомкнутые, замкнутые и комбинированные.

Принцип управления разомкнутых СЧПУ основан на использовании только задающего воздействия, заложенного в управляющую программу (принцип жесткого управления). В замкнутых СЧПУ помимо задающего воздействия - управляющей программы используется информация о действительных значениях управляемых параметров, т.е. принцип управления по отклонению управляемого параметра (гибкое управление).

В комбинированных СЧПУ управление основными параметрами (главным движением и движением подачи) осуществляется замкнутыми контурами управления, работающими по принципу отклонения, а управление вспомогательными параметрами (закреплением заготовок, подводом инструмента, сменой инструмента, включением охлаждающей жидкости и т.д.) может осуществляться разомкнутыми контурами управления.

В адаптивных СЧПУ существуют дополнительные датчики информации о параметрах процесса обработки: силе резания, температуре, износе инструмента и т.д. Эта информация используется в СЧПУ для корректировки технологических параметров, заданных управляющей программой, в зависимости от изменения припуска на обработку, твердости и жесткости заготовок, состояния инструмента и т.д.

В зависимости от назначения оборудования, оснащенного устройствами ЧПУ, системы управления делятся на позиционные, контурные и универсальные.

В позиционных системах управления программируются координаты (х, у) отдельных дискретных точек (рис. 13.4, а), определяющих положение (позицию) инструмента или заготовки. Такие системы применяются для управления сверлильными и расточными станками.

Разновидностью позиционных систем управления являются прямоугольные системы, управляющие перемещением вдоль отрезков (обозначенных на рис. 13.4, б цифрами 7... б), параллельных направляющим станка. Прямоугольные системы предназначены для последовательного управления одной из двух взаимно-перпендикулярных координат. Такие системы применяются на токарных

а б в

Рис. 13.4. К определению вида управления в СЧПУ:

а - позиционное; б - прямоугольное; в - контурное

станках для управления обработкой деталей типа ступенчатых валиков, а на фрезерных - деталей с прямоугольным контуром.

В контурных СЧПУ осуществляется одновременное взаимосвязанное управление по нескольким координатам вдоль отрезков и участков кривых, на рис. 13.4, в обозначенных 1... 6 и r 1 , r 2 , для получения деталей со сложным профилем. Такие системы применяются для управления токарными, фрезерными, электроэрозионными станками, а также сварочными машинами.

В многооперационных станках, предназначенных для обработки одновременно несколькими инструментами сложных деталей (типа корпуса), применяются универсальные (позиционно-контурные) системы управления.

В зависимости от числа одновременно управляемых координат различают СЧПУ с управлением по одной, двум, трем, четырем, пяти и более координатам.

В зависимости от вида энергии, используемой в двигателях приводных устройств, различают СЧПУ с электроприводом, электрогидравлическим и электропневматическим приводами.

В СЧПУ в основном применяются различные следящие приводы, построенные по принципу замкнутых (следящих) систем автоматического управления. Реже применяются приводы разомкнутого типа с использованием только шаговых двигателей, допускающих непосредственное программное управление как значением перемещения, так и его скоростью.

В устройствах со следящим приводом могут использоваться двигатели постоянного и переменного тока, а также шаговые гидравлические и пневматические двигатели. Частота вращения двигателей в следящем приводе должна изменяться в широком диапазоне (в 1000 и более раз).

В приводах используются датчики перемещения, создающие сигнал обратной связи, который направляется в устройство ЧПУ, где сравнивается с сигналом задающего воздействия, получаемым от управляющей программы. В качестве датчиков перемещения в аналоговых устройствах следящего привода СЧПУ используются сельсины, вращающиеся трансформаторы, индуктосины, многооборотные потенциометры. Кроме того, в аналоговых устройствах следящего привода СЧПУ применяются преобразователи перемещения в код различного типа.

В зависимости от структуры устройства ЧПУ все системы делятся на два основных вида: построенные по принципу цифровой модели и построенные по структуре ЭВМ.

В системах, где устройство ЧПУ построено по принципу цифровой модели, все операции выполняются соответствующими специализированными электронными блоками со строго определенными функциями, причем связи между этими блоками неизменны. Принцип построения устройства ЧПУ на основе использования блоков - агрегатов с четко выраженными функциями называется агрегатным. Функционирует такое устройство управления по неизменному алгоритму, при этом все блоки работают параллельно, выполняя закрепленные за ними операции по преобразованию информации.

В системах, где устройство ЧПУ (УЧПУ) построено по структуре ЭВМ, блоки имеют универсальный характер и связи между ними могут изменяться в соответствии с заданной программой. Операции управления в этом случае выполняются последовательно с помощью центрального арифметического устройства. В составе УЧПУ имеются запоминающие устройства: оперативное (ОЗУ) и постоянное (ПЗУ).

Функционирование ОЗУ и ПЗУ осуществляется по алгоритму переработки информации, поступающему в виде управляющей программы, т.е. для этих устройств требуется специальное математическое обеспечение. Причем математическое обеспечение может храниться в ПЗУ, если не требуется частая смена алгоритмов работы, или вводиться через устройство ввода как часть управляющей программы. Такое построение позволяет легко корректировать алгоритм работы устройства ЧПУ и совершенствовать его по мере накопления статистической информации о качестве изготовленных деталей.

Перспективным является создание устройств ЧПУ на основе использования одного или нескольких микропроцессоров, построенных на больших интегральных схемах (БИС), т.е. использование агрегатного принципа построения ЧПУ на базе микропроцессоров, запрограммированных на конкретные задачи. Можно построить устройство ЧПУ и на базе микроЭВМ, дополнив его микропроцессором или контроллерами - программируемыми логическими устройствами для переработки информации. В дальнейшем по мере совершенствования элементной базы рациональным может стать построение ЧПУ на базе мини-ЭВМ. Это расширит функциональные возможности СЧПУ и облегчит включение их в более сложные комплексные системы автоматизированного производства: автоматические линии, участки, цеха, системы гибкого автоматизированного производства. Обобщенная функциональная схема СЧПУ токарного станка, построенная по принципу разомкнутой системы, показана на рис. 13.5. Здесь исполнительные двигатели главного движения (М1), движения подач (М2, МЗ), вспомогательного движения - поворота и подачи револьверной головки с инструментами (М4, М5) получают управляющие сигналы от блока управления приводами (БУП).

Устройство ввода-вывода (УВВ) воспринимает управляющую программу от центральной ЭВМ (при групповом управлении, когда СЧПУ работает в составе гибкой производственной системы) или считывает ее с перфоленты (при автономном управлении). При этом управляющая программа, промежуточные результаты вычислений, необходимые константы хранятся в запоминающем устройстве (ЗУ) и по мере надобности используются вычислительным устройством (ВУ) для выработки управляющих воздействий на БУП. Последний содержит электронные блоки управления шаговыми двигателями или усилители сигналов рассогласования (в устройствах следящего привода), тиристорные преобразователи для управления скоростью главного движения (в данной схеме - скоростью вращения шпинделя) и т.д.

Панель управления (ПУ) имеет кнопки и клавиатуру для контроля отдельных блоков или ручного управления приводом, а также для полного или частичного (при настройке) ручного ввода управляющей программы в ЗУ и обработки по ней первой детали с последующей редакцией программы (в УЧПУ с непосредственным вводом программы). Панель управления позволяет вывести

на индикацию (на дисплей) любой кадр программы или другую информацию, перерабатываемую системой, и сигнализировать о появлении сбоев в работе.

В позиционных УЧПУ, работающих по жесткому алгоритму, ВУ может отсутствовать. В контурных УЧПУ, построенных по принципу цифровой модели, в качестве ВУ используется интерполятор, представляющий собой специализированный блок-агрегат, который управляет скоростью обработки одновременно по двум координатам. Интерполяторы могут быть линейные, круговые, параболические.

Линейные интерполяторы используют, если контур обрабатываемой детали можно представить в виде отрезков прямых, расположенных под любыми углами к осям координат. Криволинейные участки аппроксимируются в этом случае отрезками прямых. Линейно-круговые интерполяторы применяются при обработке деталей со сложным контуром, составленным из различных дуг окружностей и отрезков прямых. Дуга окружности в таких интерполяторах задается одним кадром программы, а общий криволинейный контур аппроксимируется несколькими прямыми и дугами окружностей разного радиуса. Параболические интерполяторы применяют при обработке очень сложных деталей (лопаток гребных винтов, турбин и т.д.).

В УЧПУ, построенных по принципу структуры ЭВМ, в качестве ВУ используются микропроцессоры, а также микро- и мини-ЭВМ. УЧПУ на базе мини-ЭВМ наиболее перспективны при создании сложных комплексных систем автоматического производства, например технологических модулей, автоматических линий, участков, цехов и гибких производственных систем.

Технологический модуль - это автоматизированный многооперационный станок и автоматический манипулятор, объединенные общей САУ.

Технологический комплекс - это автоматический производственный комплекс, состоящий из группы станков с ЧПУ, автоматического манипулятора, транспортных и накопительных устройств, объединенных общей САУ, работающей от центральной ЭВМ, и обеспечивающих полную или частичную обработку определенного типа деталей.

Автоматическая линия - это комплекс автоматизированных рабочих машин, расположенных в последовательности выполнения технологических операций, связанных средствами транспортировки и вспомогательным оборудованием, объединенных общей САУ, работающей от центральной ЭВМ, и обеспечивающих полный цикл обработки детали или группы однотипных деталей.

Автоматизированный участок - это комплекс из нескольких автоматизированных станков или модулей, объединенных с помощью транспортной системы, и манипуляторов, вспо-

могательных устройств, единой системы группового управления от центральной ЭВМ, обеспечивающих комплексную обработку однотипных деталей с разной последовательностью операций.

Гибкие производственные системы (ГПС) предназначены для автоматизированного проектирования и изготовления новых изделий в условиях мелкосерийного многономенклатурного производства.

Перевод ГПС на выпуск новых изделий обеспечивается программными средствами без перестройки оборудования ручным способом. ГПС объединяет несколько комплексов, в каждом из которых для управления используется локальная ЭВМ. Для общего управления комплексом ГПС используется мощная главная ЭВМ, а вся структура управления основана на иерархическом принципе.

На рис. 13.6 показана структурная схема управления ГПС, в которую входят следующие подсистемы:

САПР конструкции - система автоматического проектирования конструкций новых изделий, состоящая из автоматических рабочих мест конструктора (АРМ-К);

САПР технологии - система автоматического проектирования технологических процессов изготовления новых изделий, состоящая из автоматических рабочих мест технолога (АРМ-Т);

система ОКП - система оперативно-календарного планирования, связанная через ЭВМ с автоматической системой управления производством (АСУП);

САП - система автоматической подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ и автоматических манипуляторов;

САК - система автоматического контроля и диагностики, контролирующая работу всех систем, входящих в ГПС, а также фиксирующая и классифицирующая неисправности во всех подсистемах.

Кроме того, в систему автоматизированного производства входят подсистемы 7... 7, показанные на рис. 13.6.

Класс ЭВМ, используемых в каждой системе и подсистеме, зависит от сложности выполняемых задач. В целом управление ГПС представляет собой комплекс ЭВМ, связанный с АСУП.

Промышленные роботы

Роботом называется автоматическая машина, выполняющая физическую работу вместо человека. Область применения роботов весьма обширна. Исследование космоса и глубин мирового океана, сельское хозяйство, транспорт и промышленное производство, строительство - везде существует настоятельная необходимость в подобных автоматах. Роботы могут заменить человека при работе в опасных для жизни и здоровья условиях, освободить его от монотонных, утомительных, неприятных работ. Наибольшее развитие в настоящее время получили промышленные роботы, являющиеся важнейшей составляющей комплексной автоматизации производственных процессов. От традиционных средств автоматизации промышленные роботы отличаются универсальностью воспроизводимых движений и возможностью быстрой их переналадки на новые операции, а также возможностью объединения в комплексы вместе с технологическим оборудованием.

Роботы в основном применяются в машиностроении для замены рабочих, занятых обслуживанием металлорежущих станков, прессов, печей и другого технологического оборудования, а также для выполнения таких основных технологических операций, как сварка, простейшая сборка, транспортировка и т.д. Применение промышленных роботов позволяет не только комплексно автоматизировать работу отдельных станков, но и перейти к автоматизации отдельных участков, например механической обработки, штамповки, точечной сварки, путем создания робототехнических комплексов. Такие комплексы являются обязательной составной частью ГПС - систем высшего (достижимого для современной техники) уровня автоматизации производства.

Основная задача, выполняемая промышленными роботами, - манипуляционные действия в производственном процессе.

Манипуляционные действия - это перемещение и ориентирование в пространстве предметов (заготовок, готовых деталей) и орудий труда (инструментов). Исходя из основной задачи промышленного робота, его можно определить как совокупность механических рук - манипуляторов и управляющего устройства. В общем случае робот может иметь и средства передвижения.

Наиболее простые роботы, основная задача которых - выполнение определенных движений (манипуляций), заданных программой, называются автоматическими манипуляторами. В зависимости от сложности выполняемой работы различают автоматические роботы-манипуляторы трех видов - трех поколений.

Роботы-манипуляторы первого поколения работают по жесткой программе, а их взаимодействие с окружающей средой ограничено элементарными обратными связями. Роботы первого поколения могут быть очувствленными, т.е. иметь сенсорные датчики (в частности, датчики осязания - тактильные, позволяющие регулировать силу сжатия захвата). Среда, в которой действуют такие роботы, должна быть определенным образом организована. Это значит, что все предметы (заготовки и готовые детали, инструмент, элементы конструкции, станков, оборудования и т.д.) должны находиться в определенных местах и иметь определенную ориентацию в пространстве. Данное требование накладывает некоторые ограничения на применение роботов-манипуляторов первого поколения.

Роботы-манипуляторы второго поколения обладают элементами адаптации к окружающим условиям и способны решать более сложные задачи. Это очувствленные роботы, имеющие сенсорные датчики, которые позволяют им координировать движения по воспринимаемым сигналам о состоянии окружающей среды. В частности, это могут быть тактильные датчики, позволяющие менять развиваемое усилие, локационные датчики (световые, ультразвуковые, телевизионные, гамма-лучевые и т.п.), позволяющие изменять траекторию движения манипулятора при появлении препятствия, необходимости совмещения деталей, нечетко ориентированных в пространстве, и т.п.

Роботы-манипуляторы третьего поколения способны логически обрабатывать поступающую информацию, т.е. имеют искусственный интеллект. Эти роботы способны к обучению и адаптации, могут вести диалог с человеком-оператором, распознавать и анализировать сложные ситуации, формировать понятия и создавать модель окружающей среды, планировать поведение в виде программы действий (с учетом предыдущего опыта) и т.д. Осу работу по такому сложному алгоритму можно только с применением ЭВМ.

Основу парка в промышленности составляют в настоящее время роботы первого поколения как наиболее простые, надежные и экономичные.

На рис. 13.7 схематично показано устройство автоматического робота-манипулятора, а на рис. 13.8 приведена функциональная схема его управления. Конструктивно такой робот состоит из двух основных частей: исполнительной, включающей в себя манипулятор, или манипуляторы (М) и устройство передвижения (УП), и управляющей, т. е. устройства управления робота (УУ).

Манипулятор робота имеет горизонтальную руку 3, которая может перемещаться как в горизонтальном (по оси х), так и вертикальном (по оси т) направлениях относительно стойки 2. При этом стойка может поворачиваться на угол а вокруг вертикальной оси 2 относительно неподвижного основания 1. На конце руки закреплен механизм кисти 4, обеспечивающий дополнительно две степени свободы захвату 5: поворот вокруг продольной оси руки на угол р и поворот (качание) относительно перпендикулярной оси у на угол у. Для фиксирования детали захват 5 может автоматически закрываться (движение по стрелке А).


(прямоугольная, цилиндрическая, сферическая, комбинированная) для осуществления переносного движения рабочего органа (движения собственно руки манипулятора) рабочая зона манипулятора может иметь вид параллелепипеда, цилиндра, шара и более сложных пространственных тел. Так как рука манипулятора, показанного на рис. 13.7, имеет одну вращательную и две поступательные степени свободы (подвижности): движение вдоль осей х и у и поворот вокруг оси 2, его рабочая зона имеет вид цилиндра. Движение кисти - поворот вокруг оси х и качание вокруг оси у являются ориентирующими. Автоматические роботы-манипуляторы могут иметь от трех до семи степеней подвижности, а устройство их рабочего органа зависит от назначения робота.

В роботах, выполняющих погрузочно-разгрузочные операции, транспортировку, смену инструмента, используют и различные виды захватов, обеспечивающие взятие, ориентирование и удержание объекта манипулирования. В роботах, выполняющих технологические операции, рабочим органом может быть пульверизатор, сварочная головка, гайковерт или другой инструмент.

Принципы действия и конструкции захватов весьма разнообразны, так как размеры, форма и физико-химические свойства объектов манипулирования могут изменяться в широких пределах. По способу захвата и удержания объекта манипулирования захватные устройства делятся на механические, вакуумные, электромагнитные и комбинированные.

Исполнительные устройства манипулятора приводятся в действие двигателями, число которых зависит от числа степеней его подвижности. Существуют манипуляторы, имеющие один двигатель на несколько степеней подвижности, снабженный муфтами для распределения движения. Вид двигателя привода зависит от назначения манипулятора и его параметров. В настоящее время примерно в равной степени используются пневматические, гидравлические и электрические двигатели.

Подвижные роботы могут иметь различные устройства передвижения - от давно известных устройств качения до шагающих механизмов (педипуляторов), разрабатываемых в последнее время.

Устройство управления роботом-манипулятором может выполняться в виде самостоятельного (конструктивно обособленного) блока или быть встроенным в корпус его исполнительной части. Обычно в состав устройства управления (см. рис. 13.8) входят: пульт управления (ПУ), позволяющий производить ввод и контроль задания; запоминающее устройство (ЗУ), хранящее программу работы; следящий привод механизмов манипулятора и устройства передвижения; усилители; преобразователи; источники питания; управляющие элементы (реле, контакторы, золотники, струйные трубки, распределители движения, электромагнитные клапаны и т.д.).

Число датчиков обратной связи в схеме управления (ДОС1, ДОС2) определяется числом степеней подвижности манипулятора и числом координат перемещения его исполнительного устройства. Используются они в следящем приводе для контроля перемещения рабочего органа манипулятора и в целом всего его исполнительного устройства (ИУ).

В качестве датчиков обратной связи по перемещению в роботах-манипуляторах применяют потенциометры, сельсины, вращающиеся трансформаторы, индуктосины, кодирующие преобразователи и т. п.

В очувствленных и адаптивных роботах могут быть сенсорные датчики для получения дополнительной информации о фактической обстановке в зоне действия их манипуляторов. В качестве сенсорных датчиков, входящих в систему очувствления, кроме тактильных и локационных в роботах-манипуляторах могут использоваться и любые другие датчики: температуры, давления, магнитного поля, цвета и т.д. Информация сенсорных датчиков вводится в вычислительное устройство (ВУ) для корректировки действия робота.

Манипулятор робота создает основное рабочее воздействие У х на технологическое оборудование или объект манипулирования (заготовку, деталь, инструмент). Кроме того, на технологическое оборудование могут подаваться управляющие воздействия (U 1 , U 2) и технологические команды У 2 непосредственно от блока управления процессом (БУП) - на блокировку работы оборудования во время рабочих движений манипулятора, изменение режима работы оборудования и т.д. В свою очередь, от технологического оборудования или других роботов могут поступать информационные и управляющие воздействия на данный робот (условно от датчиков ДЗ).

В робототехнических комплексах и ГПС на робот могут поступать задающие воздействия G 1 от управляющих устройств более высокого ранга (уровня).

Так, от главной ЭВМ, управляющей работой комплекса или ГПС, могут поступать новые рабочие программы, а также команды, корректирующие заданную программу или координирующие действие робота-манипулятора с действиями других роботов или с процессом работы технологического оборудования.

В автономном режиме задающее воздействие G 2 создается программой, хранящейся в ЗУ. В режиме наладки или обучения задающее воздействие G 3 создается оператором через ПУ. При этом вычислительное устройство робота может быть различного уровня (в роботах с цикловым программным управлением ВУ вообще отсутствует). Чем универсальнее робот и сложнее задачи, решаемые с его помощью, тем выше уровень ВУ: микропроцессор, микро- или мини-ЭВМ. В робототехнических комплексах и ГПС используются ЭВМ средней и большой мощности, а также комплексы из нескольких ЭВМ.

Промышленные роботы-манипуляторы классифицируются по ряду следующих основных признаков, входящих в условное обозначение их типа:

числу манипуляторов (1М, 2М, ЗМ, ...);

числу степеней подвижности с учетом устройства передвижения (2; 3 и более);

типу рабочей зоны (плоская - Пл, поверхность - Пв, в форме параллелепипеда - Пр, шарообразная - Ш, комбинированная - ПрЦл, ЦлШ, ПрШ);

грузоподъемности;

Типу приводов манипулятора (пневматический - Пн, гидравлический - Г, электромеханический - Э, комбинированный - ГПн, ГЭ, ЭПн);

типу системы управления (цикловая - Ц, позиционная - П, контурная - К, очувствленный робот - О, с искусственным интеллектом - И);

классу точности (0; 1; 2; 3).

Например, робот-манипулятор с условным обозначением 1М4Цл-5ЭК1 имеет один манипулятор с четырьмя степенями подвижности, рабочую зону цилиндрической формы, грузоподъемность 5 кг, привод электромеханический, систему управления контурную, первый класс точности (погрешность воспроизведения траектории от 0,01 до 0,05 %). Часть информации, характеризующей робот, указывается словесно (наличие устройства передвижения, раздельный или общий привод по степеням подвижности, адаптивное или неадаптивное управление, тип исполнения - теплозащитное, взрывобезопасное, нормальное и т.п.).

На рисунке показана общая укрупненная структурная схема системы ЧПУ. Она включает следующие основные элементы: устройство ЧПУ; приводы подач рабочих органов станка и датчики обратной связи (ДОС), установленные по каждой управляемой координате. Устройство ЧПУ предназначено для выдачи управляющих воздействий рабочим органом станка в соответствии с программой управления, вводимой на перфоленте. Программа управления считывается последовательно в пределах одного кадра с запоминанием в блоке памяти, откуда она подается в блоки технологических команд, интерполяции и скоростей подач. Блок интерполяции – специализированное вычислительное устройство (интерполятор) – формулирует частичную траекторию движения инструмента между двумя или более заданными в программе управления точками. Выходная информация с этого блока поступает в блок управления приводами подач, обычно представлена в виде последовательности импульсов по каждой координате, частота которых определяет скорость подачи, а число – величину перемещения.

Блок ввода и считывания информации предназначен для ввода и считывания программы управления. Считывание производится последовательно строка за строкой в пределах одного кадра.

Блок памяти. Так как информация считывается последовательно, а используется вся сразу в пределах одного кадра, при считывании она запоминается в блоке памяти. Здесь же производится ее контроль и формирование сигнала при обнаружении ошибки в перфоленте. Так как обработка информации идет последовательно по кадрам, а время считывания информации одного кадра равно примерно 0,1 – 0,2 с, получается разрыв в передачи информации, что недопустимо. Поэтому применяют два блока памяти. Пока обрабатывается информация одного кадра из первого блока памяти, производится считывание второго кадра и ее запоминание во втором блоке. Время же введения информации из блока памяти в блок интерполяции ничтожно мало. Во многих системах ЧПУ блок памяти может принимать информацию, минуя блок ввода и считывание непосредственно от ЭВМ.



Блок интерполяции. Это специализированное вычислительное устройство, которое формирует частичную траекторию движения инструмента между двумя или более заданными в программе управления точками. Это важнейший блок в контурных системах ЧПУ. Основой блока является интерполятор, который по заданным программой управления числовым параметрам участка контура восстанавливает функцию f(x,y). В интервалах значений координат Х и У интерполятор вычисляет значения координат промежуточных точек этой функции.

На выходах интерполятора формируется строго синхронизированные во времени управляющие импульсы для перемещения рабочего органа станка по соответствующим осям координат.

Применяют линейные и линейно – круговые интерполяторы. В соответствии с этим первые производят линейную интерполяцию, а вторые линейную и круговую.

Линейный интерполятор обеспечивает, например, перемещение рабочего органа с фрезой диаметром между двумя опорными точками по прямой линии с отклонением от заданного контура на величину .


В этом случае исходной информацией для интерполятора являются величины приращений по координатам и и время обработки перемещения по прямой , т.е. , где S – установленная скорость подачи инструмента.

Работа линейно – кругового интерполятора может осуществляться по методу оценочной функции F. Метод заключается в том, что при выработке очередного управляющего импульса логическая схема производит оценку, по какой координате следует выдавать этот импульс, чтобы суммарное перемещение рабочего органа станка максимально приближало его к заданному контуру.


Интерполируемая прямая (см. рис. а) делит плоскость, в которой она расположена, на две области: над прямой, где оценочная функция F>0, и под прямой, где F<0. Все точки, лежащие теоретически заданной линии, имеют F=0.

Траектория интерполяции представляет собой определенную последовательность элементарных перемещений вдоль координатных осей от начальной точки с координатами и до конечной точки с координатами , .

Если промежуточная точка траектории находится в области F>0, то следующий шаг делается по оси Х. Если же промежуточная точка находится в области F<0, шаг делается по оси Y. Аналогично происходит работа интерполятора при круговой интерполяции (см. рис. б).

Блок управления приводами подачи. С блока интерполяции информация поступает на блок управления приводами подач, который преобразует ее в форму, пригодную для управления приводами подач. Последнее производится так, чтобы при поступлении каждого импульса рабочий орган станка перемещался на определенную величину, характеризующую дискретность системы ЧПУ. При поступлении каждого импульса управляемый объект перемещается на определенную величину, называемую ценой импульса, которая обычно равна 0,01 – 0,02 мм. В зависимости от типа привода (замкнутые или разомкнутые, фазовые или амплитудные), применяемых на станках, блоки управления существенно различаются. В замкнутых приводах фазового типа, использующих датчики обратной связи в виде вращающихся трансформаторов, работающих в режиме фазовращателей, блоки управления представляют собой преобразователи импульсов в фазу переменного тока и фазовые дискриминаторы, которые сравнивают фазу сигнала на выходе фазового преобразователя с фазой датчика обратной связи и выдают разностный сигнал ошибки на усилитель мощности привода.

Блок скоростей подач – обеспечивает заданную скорость подачи вдоль контура, а также процессы разгона и торможения в начале и в конце участков обработки по заданному закону, чаще всего линейному, иногда экспоненциальному. Помимо рабочих подач (0,5 – 3000 мм/мин) этот блок обеспечивает, как правило, и холостой ход с повышенной скоростью (5000 – 20000 мм/мин).

Пульт управления и индикации. Связь оператора с системой ЧПУ производится через пульт управления и индикации. С помощью этого пульта производится пуск и останов системы ЧПУ, переключение режима работы с автоматического на ручной и т.д., а также коррекция скорости подачи и размеров инструментов и изменения начального положения инструмента по всем или некоторым координатам. На этом пульте находятся световая сигнализация и цифровая индикация.

Блок коррекции программы применяется для изменения запрограммированных параметров обработки: скорости подачи и размеров инструмента (длины и диаметра).

Блок постоянных циклов служит для упрощения процесса программирования при обработке повторяющихся элементов детали (например, сверление и растачивание отверстий, нарезание резьбы и др.) применяют блок постоянных циклов. Например, на перфоленте не программируются такие движения, как быстрый вывод из готового отверстия – это заложено в соответствующем цикле (G81).

Блок технологических команд обеспечивает управление циклом работы станка (его цикловой автоматики), включающего поиск и анализ режущего инструмента, переключение частоты вращения шпинделя, зажим и разжим перемещающихся рабочих органов станка, различные блокировки.

Блок питания обеспечивает питание необходимыми постоянными напряжениями и токами всех блоков ЧПУ от обычной трехфазной сети. Особенностью этого блока является наличие стабилизаторов напряжения и фильтров, защищающие электронные схемы ЧПУ от помех, всегда имеющих место в промышленных силовых сетях.

Датчики обратной связи (ДОС)

ДОС предназначены для преобразования линейных перемещений рабочего органа станка в электрические сигналы, содержащие информацию о направлении и величине перемещений.

Все многообразие ДОС можно условно разделить на угловые (круговые) и линейные. Круговые ДОС обычно преобразуют угол поворота ходового винта или перемещения рабочего органа станка через реечную передачу. Преимуществом круговых ДОС является их независимость от длины перемещения рабочего органа станка, удобство установки на станке и удобство эксплуатации. К недостаткам следует отнести принцип косвенного измерения величины перемещения рабочего органа, а следовательно погрешность измерения.

Тема 1.6. Задачи ЧПУ

Устройство ЧПУ является управляющим по отношению к станку. В то же время оно само является объектом управления при взаимодействии с окружающей средой, в качестве которой выступает оператор, ЭВМ верхнего уровня и т.д. Если рассматривать с этих позиций задачи, которые оно должно решать, то можно выделить следующие задачи:

Геометрическая задача – взаимодействие УЧПУ со станком для управления формообразованием детали. Решение данной задачи заключается в отображении геометрической информации чертежа в совокупность таких движений рабочих органов станка, которые материализуют чертеж в изделие.

Логическая задача заключается в управлении дискретной электроавтоматикой, т.е. автоматизацией на станке вспомогательных операций (зажим инструмента, смена инструмента и т.д.).

Технологическая задача заключается в управлении рабочим процессом и достижении требуемого качества обработки деталей с меньшими затратами.

Терминальная задача заключается во взаимодействии УЧПУ с окружающей средой.

Геометрическая задача

Сущность геометрической задачи можно определить следующим образом: отобразить геометрическую информацию чертежа в совокупность таких формообразующих движений станка, которые материализуют чертеж в конечном изделии. Каждый станок имеет свой комплект электроприводов, расположенных согласно системе координат. Электроприводы расположены таким образом, чтобы обеспечить обработку деталей соответствующего класса, т.е. перемещения инструмента (или заготовки) вдоль направляющих.

Например, на станках токарной группы профиль детали формируется перемещением инструмента в одной плоскости, поэтому станки данной группы оснащены комплектом из двух приводов, осуществляющих перемещения инструмента вдоль продольных и поперечных направляющих.

Логическая задача

На современных станках с ЧПУ автоматизированы многочисленные вспомогательные операции, называемые также технологическими. К их числу относятся: смена инструмента, зажим/разжим инструмента, переключение в коробке подач, управление зажимными приспособлениями, охлаждением, ограждением, смазкой и т.д. Все эти функции выполняются системой цикловой электроавтоматики – системой автоматического управления механизмами и группами механизмов, поведение которых определяется множеством дискретных операций с отношениями следования и параллелизма. Причем отдельные операции инициируются электрическими управляющими сигналами, а условия их смены формируются под влиянием осведомительных сигналов, поступающих со стороны объекта управления. Все сложные циклические процессы, выполняемые на станке с ЧПУ, можно представить в виде циклов автоматики и операций. Циклом автоматики станка с ЧПУ называют последовательность действий, вызываемых по имени одним из трех следующих информационных слов управляющей программы: «Скорость главного движения», «Функция инструмента», «Вспомогательная функция». Цикл автоматики состоит из операций, причем под операцией можно понимать любое независимое действие дискретного механизма, выполняемое одним двигателем, открываемое самостоятельным управляющим сигналом, подтверждаемое или не подтверждаемое при закрытии осведомительным сигналом.

Информационное слово «Скорость главного движения» начи­нается с адреса S, за которым следует комбинация цифр, опреде­ляющая в разных случаях либо скорость резания, либо частоту вращения шпинделя. Для кодирования скорости главного дви­жения применяют методы прямого обозначения, геометрической и арифметической прогрессий, символьный метод.

Метод прямого обозначения наиболее нагляден: слово S800 означает, например, вызов цикла, устанавливающего частоту вращения 800 мин-1. При кодировании методом геометрической прогрессии частоту вращения обозначают условным кодом 00, .... 98, а истинные значения образуют геометрическую прогрессию: 0; 1,12; 1,25; 1,40; ...; 80 000.

Информационное слово «Функция инструмента» начинается с адреса Т, за которым следуют одна или две группы цифр. В пер­вом случае слово указывает только номер вызываемого инстру­мента, а номер корректора для этого инструмента определяется другим словом с адресом D. Во втором случае вторая группа цифр определяет номер корректора длины, положения или диаметра инструмента. Например, в слове Т1218: Т – адрес, 12 – номер инструмента; 18 – номер корректора.

Информационное слово «Вспомогательная функция» опреде­ляет разнообразные команды цикловым механизмам станка и са­мому устройству ЧПУ. Вспомогательные функции задают сло­вами с адресом М и условной двухзначной кодовой комбинацией 00, ..., 99. Некоторые общепринятые вспомогательные функции приведены в табл. 1.2. Другие вспомогательные функции вводят при создании конкретного станка и конкретного устройства ЧПУ.

Числовым программным управлением металлорежущими станка­ми называют управление рабочими органами станка при обработ­ке заготовки по управляющей программе, являющейся последо­вательностью команд в алфавитно-цифровом коде (в символьной форме) на специальном языке. Принципиальное отличие систем ЧПУ от ранее рассмотренных систем управления заключается в способе расчета последовательности управляющих сигналов и пе­редачи их рабочим органам станка.

На чертеже технологическая информация представлена в виде графических изображений (контур), чисел (размеры), условных знаков (шероховатость), текста и т.д. В ранее рассмотренных системах управления программа обработки воплощается в физических аналогах: копирах, кулачках, путевых упорах, положении штеке­ров коммутационной панели и т. п. Их изготовление является весьма трудоемким процессом и сопровождается погрешностями расчета профиля копиров и погрешностями их изготовления. При эксплуатацин копиры изнашиваются, что вносит дополнительную по­грешность.

В системах с ЧПУ управляющая программа включает в себя:

Технологические команды, подобные командам ПЛК (выбор инструмента, задание скорости вращения шпинделя и подачи, включение-выключение подачи СОЖ и т.п.);

Геометрические команды перемещения рабочего органа по некоторой траектории, отсутствующие в ПЛК (задание коорди­нат последовательных положений РО);

Подготовительные команды, служащие для управления caмим устройством управления и задания режимов его работы.

Каждая команда - это совокупность символов и цифр, легко доступная пониманию человека (технолога-программиста устройств ЧПУ), что упрощает программирование и уменьшает число ошибок в программе. Ниже приведены основные термины, употребляемые при программировании УЧПУ.

Нулевая точка детали (нуль детали) - точка детали, коорди­наты которой приняты за нулевые в системе координат, связан­ной с деталью. От нуля детали откладываются размеры обрабаты­ваемых поверхностей. Нулевая точка станка (нуль станка) - точ­ка в пространстве, имеющая нулевые координаты в системе ко­ординат, связанной со станком (обычно совпадает с базовой точкой зажимного приспособления). Оси координат системы станка обыч­но параллельны направляющим станка и оси вращения шпинделя

Рис. 6.4. Примеры расчетных траекторий

Центр инструмента - неподвижная относительно державки точка инструмента, для которой ведется расчет траектории. Для резца это его вершина, для фрезы - точка пересечения оси фре­зы с ее торцом.

Система координат станка определяется конструкцией станка, а у каждой детали может быть одна или несколько своих систем координат, которые определяются, исходя из удобства описания обрабатываемых поверхностей. Геометрические команды УП зада­ются в системе координат детали и в процессе выполнения УП переводятся в систему координат станка.

Исходная точка (станка) - точка в системе координат станка, используемая как начальная точка работы УП, связывающая нуль станка и нуль детали.

Расчетная траектория - траектория центра инструмента, ко­торая рассчитывается по геометрии обрабатываемых поверхно­стей с учетом геометрии инструмента. В простейшем случае рас­четная траектория совпадает с контуром детали (например, при точении, когда центром инструмента является вершина резца). Это может быть эквидистанта (рис. 6.4, а) или более слож­ная кривая (рис. 6.4, б).

Опорная геометрическая или технологическая точка - это точка расчетной траектории, в которой происходит изменение закона, описывающего траекто­рию, или изменение условий обработки.

Ниже приведена простейшая программа на универсальном языке программирования УЧПУ CLDATA (Catter Location Data - данные о положении режущей кромки) для наружного точения цилиндрической поверхности и подрезки торца (рис.6.5) с ком­ментариями, составленная в со­ответствии со стандартом ISO.

Координаты точек траекто­рии задаются от нулевой точки детали, которой в рассматрива­емом примере служит точка пе­ресечения оси детали с ее пра­вым торцом, ось Z направлена по оси детали вправо, ось X - по радиусу.

Рис. 6.5. Схема точения наружной цилиндрической поверхности и подрезки торца на станке с ЧПУ

N10 G90 G95 S670 М4 - координаты точек траектории -абсолютные (G90), задание частоты вращения шпинделя: установить частоту вращения (G95) 670 об/мин (S670)), вращение против часовой стрелки (М4);

N15 GO X50 Z1.5 T1l M8 - быстрый подвод инструмента: пози­ционирование (GO) инструмента с кодом 11 (Т11) в точку с координа­тами X = 50 мм (Х50), Z = 1,5 мм (Z1.5), 1,5 мм - заходный участок, включить охлаждение с кодом 8 (М8);

N20 Gl Z-10 F0.35 - рабочий ход - точение: линейная

интерполяция (G1) (траектория - отрезок прямой) из предыдущей точки X = 50 мм, Z = 1,5 мм в точку с той же координатой X и координатой Z - -10 мм (Z-10) с осевой по­дачей S = 0,35 мм/об (F0.35);

N25 G95 S837 М4 - задание частоты вращения шпинделя: I установить частоту вращения (G95) 837 об/мин (S837)), вращение опять против часовой стрелки;

N30 Gl X56 F0.3 - подрезка торца вверх на 5+1 мм: линейная интерполяция (G1) в точку X = 56 мм, Z = -10 мм (Х56) с радиальной подачей S = 0,3 мм/об (F0.3);

N35 GO X70 Z30 - быстрый отвод инструмента вправо: позиционирование в точку X = 70 мм, Z = 30 мм (Z30);

N40 М02 - конец программы.

Программа набивается на перфоленте или записывается на магнитную ленту или диск, после чего команды вводятся в УЧПУ, расшифровываются, УЧПУ выдает приказы рабочим органам станка, ожидает окончания выполнения текущей команды и переходит к следующей. Каждая команда предусматри­вает автоматическое выполнение системами управления станка сложных действий, связанных с перемещениями рабочих органов по времени в условиях возмущений со стороны внешней среды (колебания напряжения питания, твердости заготовки, трения и т.д.)- Команды выполняются последовательно, переход к следующей команде возможен только после завершения выполнения текущей.

Кадр управляющей программы - часть УП, выполняемая как единое целое (подвод инструмента, проход и т.д.). Блок или глава управляющей программы - совокупность кадров, выполняемых при одной настройке технологической системы (рассмотренный выше пример). Главный кадр управляющей программы - первый после остановки обработки задает новые настройки технологической си­стемы, необходимые для продолжения обработки. Остальные кад­ры блока (главы) задают последовательное изменение настроек, определенных главным кадром.

В ПЗУ УЧПУ помещены в виде подпрограмм последовательно­сти управляющих сигналов, необходимые для выполнения стан­ком основных действий, связанных с обработкой заготовки. УЧПУ является интерпретатором, который расшифровывает очередную команду УП и запускает соответствующую подпрограмму выпол­нения этой команды (например, подпрограмму управления быст­рым подводом инструмента в нужную точку G0), приводящую к срабатыванию реле, муфт, путевых переключателей и т.д. и обес­печивающую выполнение различных технологических команд (сме­на инструмента, переключение частот вращения шпинделя, пе­ремещение суппорта и т.д.).

Постоянный цикл - часто встречающаяся последовательность команд УП, оформленная в виде стандартной подпрограммы УЧПУ, которая вызывается одной макрокомандой УП (например, подпрог­раммы точения цилиндрической поверхности, нарезания резьбы, сверления отверстий). Использование циклов упрощает програм­мирование и уменьшает длину УП.

Интерполятор - блок УЧПУ, ответственный за вычисление координат промежуточных точек траектории, которую должен пройти инструмент между точками, заданными в УП. Интерполя­тор имеет в качестве исходных данных команду УП перемещения инструмента от начальной до конечной точки по контуру в виде отрезка прямой, дуги окружности и т.п., например:

N15 G0 X50 Z1.5 T1l M8 - быстрый подвод по прямой;

N20 Gl Z-10 F0.35 - рабочий ход по прямой.

Результатом работы интерполятора являются последовательно­сти управляющих импульсов для привода подач, выдаваемых в нужные моменты времени, обеспечивающие требуемые скорость и величину перемещения суппорта, или требуемые законы X (t ), Y { t ), Z (t ) изменения координат рабочего органа во времени. Имен­но интерполятор является задатчиком для системы автоматичес­кого управления многокоординатным приводом подач, воспро­изводящим требуемую траекторию.

Для обеспечения точности воспроизведения траектории порядка 1 мкм (точность датчиков положения и точность позиционирова­ния суппорта составляют порядка 1 мкм) интерполятор выдает управляющие импульсы каждые 5... 10 мс, что требует от него высо­кого быстродействия.

С целью упрощения алгоритма работы интерполятора задан­ный криволинейный контур формируется обычно из отрезков прямых линий или из дуг окружностей, причем часто шаги пере­мещений по разным осям координат выполняются не одновре­менно, а поочередно. Тем не менее за счет высокой частоты вы­дачи управляющих воздействий и инерционности механических узлов привода происходит сглаживание ломаной траектории до плавного криволинейного контура.

УП составляется в расчете на некоторый стандартный инструмент, реальный инструмент име­ет отличающиеся размеры и изнашивается при работе. Формиро­вание нового варианта УП для каждого инструмента трудоемко, хранение большого числа вариантов УП неудобно. В станках с УЧПУ предусмотрена возможность коррекции: настройки УЧПУ вручную или командами УП на конкретный инструмент. При вы­полнении УП каждая команда будет автоматически скорректи­рована для учета реального вылета инструмента (путем параллель­ного переноса) и радиуса режущей кромки (расчетом эквидистанты). На рис. 6.5 показана траектория вершины резца, задан­ная в УП, и траектория базовой точки F резцедержателя, сдви­нутая вверх на L x - вылет резца по оси X и вправо на L z - вылет резца по оси Z

Возможна автоматическая коррекция траектории с учетом из- (носа инструмента (коррекция вылета) или коррекция подачи при недопустимом росте сил резания, момента привода шпинделя, вибрациях (адаптивное управление). В этом случае происходит мно­гоуровневая коррекция, меняющаяся во время обработки.

Системы ЧПУ делят на позиционные системы, осуществляю­щие установку рабочего органа в заданной точке пространства, причем траектория перемещения определяется самим УЧПУ, и контурные системы, обеспечивающие перемещение рабочего орга­на по заданной в УП траектории с заданной контурной скоростью.

Позиционные системы характерны для операций сверления, точечной сварки, отрезки, когда траектория значения не имеет, и движение выполняется обычно по прямой с поочередным или одновременным изменением координат.

Контурные системы ЧПУ используются при обработке поверхностей на токарных и фрезерных станках, когда требуемая поверхность воспроизводится совместным перемещением инструмен­та и заготовки. Контурные системы ЧПУ включают обычно и фун­кции позиционных систем. Так, рассмотренная выше УП состав­лена для контурного устройства управления токарным станком (траектория перемещения резца во время рабочего хода задается командой G1), однако в УП присутствует типичная для позици­онных систем команда быстрого подвода рабочего органа (СО).

Для жесткой синхронизации перемещения по координатам и вращения шпинделя в УЧПУ в качестве тактового задатчика (вместо таймера в ЭВМ) могут использоваться импульсы от датчика скорости вращения привода главного движения. Управление при­водами станка происходит преимущественно импульсами, поэто­му УЧПУ является импульсным устройством, оснащенным УСО с импульсными входами-выходами.

Бурное развитие электроники обусловило постоянное услож­нение УЧПУ. Простейшими являются системы ЧПУ класса NC (Numeric Control).

Следующим поколением УЧПУ были системы класса SNC (Stored Numeric Control), построенные на интегральных микро­схемах, имеющих большую надежность и возможности и мень­шие габариты, что и привело к росту мощности команд входного языка, упрощению программирования и сокращению размеров УП. Системы этого класса имели ОЗУ, достаточное для запомина­ния всей УП; это сделало возможным однократный ввод УП в ОЗУ и многократное ее выполнение при обработке серии дета­лей, эксплуатационные характеристики этих систем значительно улучшились.

Использование управляющей миниЭВМ в качестве УЧПУ вместо специальных блоков управления привело к созданию си­стем класса DNC (Direct Numeric Control). Ввиду высокой сто­имости миниЭВМ тех времен и ее больших габаритов ЭВМ раз­мещалась вне зоны обработки и управляла несколькими станками одновременно.

Использование универсальной ЭВМ в качестве УЧПУ позволило:

реализовать алгоритмы управления в виде программ ЭВМ, что обусловило гибкость системы;

строить УП из мощных команд с использованием подпрог­рамм-циклов, что упрощает программирование и делает УП ко­роткой;

загружать УП с перфоленты, магнитного диска или передавать их по сети из архива.

С появлением микроЭВМ появилась возможность разместить УЧПУ непосредственно на станке применительно к этому кон­кретному станку. Системы этого класса называются CNC (Computer Numeric Control) и обладают следующими особенностями:

используются однотипные ЭВМ для управления разнообраз­ными станками, что позволяет унифицировать УЧПУ, снизить их стоимость, повысить надежность и упростить программирование УЧПУ;

алгоритмы управления, учитывающие специфику станка, вклю­чены в микросхему ПЗУ, что обеспечивает надежность их хране­ния и гибкость УЧПУ благодаря простоте замены одной микро­схемы ПЗУ на другую.

Соединение с помощью вычислительной сети отдельных систем УЧПУ (CNC), управляющих станками, роботами, транспортными устройствами и т.д., с ЭВМ, хранящей архивы УП и взаимоувя­зывающей работу отдельных единиц оборудования с ЧПУ, при­вело к созданию гибких производственных систем. В этих системах центральная ЭВМ синхронизирует работу всех УЧПУ, входящих в ГПС, контролирует исправность узлов, служит пультом опера­тора, связана по сети с системами управления высших уровней: автоматическими системами управления производством (АСУП), системами автоматического проектирования и др., что обеспечи­вает бесперебойное снабжение сырьем, инструментом и т.д.

Рост мощности ЭВМ, используемых в качестве УЧПУ класса CNC, привел к созданию систем класса HNC (Handled Numeric Control), оснащенных мощным процессором, магнитным диском и качественным дисплеем, допускающих простой ручной ввод и отладку УП на станке с использованием вспомогательных инст­рументов программирования.

Чем мощнее УЧПУ, тем мощнее операторы его входного язы­ка (вплоть до CLDATA), короче и понятнее УП, в ней меньше ошибок, проще ручное и автоматизированное программирование УЧПУ.

Составление УП обработки сложных деталей требует высокой квалификации программиста, а ошибки в ней ведут к поломкам дорогостоящего оборудования и травмам людей. Поэтому ручное программирование заменяется на автоматизированное, при кото­ром человек в диалоге с системой автоматизации программирова­ния УЧПУ (САП), установленной на ЭВМ общего назначения, решает технологические задачи, а САП выполняет детальное кро­потливое оформление команд для УЧПУ.

На рис. 6.6 приведена схема создания и выполнения програм­мы для УЧПУ. Геометрия детали и технологическая информация задаются или в виде операторов описания исходных данных для САП (обычно это один из вариантов общепринятого языка APT), или в диалоге с программой подготовки данных изображением геометрии детали в графическом редакторе и выбором информа­ции из предлагаемых ЭВМ таблиц и меню.

Всякая САП представляет собой набор программирующих про­грамм, включающий такие программы, как препроцессор, про­цессор и постпроцессор.

Препроцессор САП предназначен для предварительного ана­лиза исходных данных. Процессор САП рассчитывает траекторию, опорные точки и формирует УП обычно на CLDATA - языке программирования некоего абстрактного УЧПУ, принятого за стандартное. Если реальное УЧПУ станка требует УП на своем входном языке, УП переводится в этот язык в постпроцессоре САП. Далее УП загружается в УЧПУ и выполняется.

Операторы по очереди расшифровываются в устройстве управ­ления (УУ), выдающем по мере надобности управляющие импульсы на контроллеры привода главного движения, закрепления инструмента и т.д. Геометрические команды передаются в интерполятор, задающий приводу подач требуемые законы изменения координат центра инструмента. Корректор учитывает особенности реальной геометрии инструмента, после чего управляющие импульсы поступают на привод подач.

При обработке соответствующие датчики контролируют сра­батывания муфт и электроприводов, положения суппорта, крутя­щего момента привода главного движения, сил резания, уровня вибраций и т.д.

САП ЧПУ опирается на банки данных (БнД), содержащие сле­дующие компоненты:

Схемы и наладки для обработки типовых поверхностей (на­ружное/внутреннее точение, нарезание резьбы, выполнение ка­навок, сверление, фрезерование паза и т.д.);

Библиотеку простейших графических элементов для геомет­рических изображений (окружности, эллипсы, прямоугольники, отверстия, зубья, шестерни и т.д.);

Технические характеристики станков, приспособлений, ин­струментов;

Данные для расчета режимов обработки; архив ранее разработанных переходов, операций;

Архив готовых УП;

Архив постпроцессоров для разных УЧПУ.

Станки с УЧПУ, а значит и САП, специализированы:

токарные станки - 2-координатные в плоскости XZ;

фрезерные, сверлильные станки - 2,5-координатные, объем­ные фигуры задаются сечением в плоскости XY и высотой Z; 2,5-координатные станки - это значит, что одновременно уп­равляются две координаты (Х и У), после чего обработка в плоско­сти ХОУ останавливается и производится перестановка по оси Z в новую плоскость XOY .

сверлильно-расточные многоинструментные обрабатывающие центры - 3-координатные.

САП позволяет смоделировать и изобразить на экране траекто­рию инструмента и процесс съема металла, что удобно для конт­роля УП. САП допускает коррекцию УП вручную на любом этапе подготовки.

Контрольные вопросы

1. Какие формы представления алгоритма вы знаете?

2. Каково назначение операционной системы?

3. Какова цель тестирования программы? (выберите правильный ответ):

а) демонстрация работоспособности программы заказчику;

б) выявление ошибок и недоработок в программе в «неудобных» условиях;

в) проверка работы программы в типичных условиях.

4. В чем отличие ПЛК от управляющей ЭВМ?

5. В чем отличие ПЛК от устройства ЧПУ?

Вопросы к экзамену

1. Математическое обеспечение ЭВМ

2. Алгоритмы (Блок-схема алгоритма вычисления среднего значения)

3. Операционная система ЭВМ

4. Программы (Программа вычисления среднего значения)

5. Программируемые логические контроллеры

6. Системы числового программного управления

Рис. 6.6. Схема подготовки и выполнения управляющей программы станка с ЧПУ

Существует множество САП ЧПУ, простейшие из которых предусматривают ввод исходных данных на входном языке типа APT, расчет траекторий, генерацию УП на CLDATA и перевод ее (если нужно) во входной язык УЧПУ. Более сложные САП спо­собны в диалоге с технологом по чертежу детали, выполненному на одном из стандартных пакетов машинного черчения, сформи­ровать технологический процесс, спроектировать отдельные опе­рации с выбором необходимого станка, приспособления, инструмента, рассчитать последовательность переходов и проходов, рассчитать режимы обработки и т.д.

Применение САП, созданных при участии и на основе опыта квалифицированных технологов-программистов, значительно упрощает программирование УЧПУ и повышает качество про­грамм, что создает предпосылки для широкого применения обо­рудования с ЧПУ.

СИСТЕМЫ ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ

Структура систем ЧПУ

В общем виде структуру комплекса «Станок с ЧПУ» можно представить в виде трех блоков, каждый из которых выполняет свою задачу: управляющая программа (УП), устройство ЧПУ (УЧПУ) и собственно станок (рис.1.1).

Рис. 1.1. Функциональная схема управления станком с ЧПУ

^ КОМПЛЕКС «СТАНОК С ЧПУ»

Все блоки комплекса работают взаимосвязано в единой структуре. Управляющая программа содержит укрупненное кодированное описание всех стадий геометрического и технологического образования изделия. Это описание не должно допускать двусмысленных трактований. В устройстве ЧПУ управляющая информация в соответствии с УП транслируется, а затем используется в вычислительном цикле. Результатом является формирование оперативных команд в реальном масштабе машинного времени станка.

Станок является основным потребителем управляющей информации, исполнительной частью, объектом управления, а в конструктивном отношении - несущей конструкцией, на которой смонтированы механизмы с автоматическим управлением, приспособленные к приему оперативных команд от УЧПУ. К числу подобных механизмов относятся, прежде всего, те, которые непосредственно участвуют в геометрическом формообразовании изделия. В зависимости от числа координат движений, задаваемых механизмами подачи, складывается система координат обработки. Система координат может быть плоская, пространственная трехмерная, пространственная многомерная. Функциональность реальной системы ЧПУ (СЧПУ) определяется степенью реализации целого ряда функций при управлении оборудованием. Рассмотрим краткую характеристику этих функций.

^ Ввод и хранение системного программного обеспечения (СПО). К СПО относят совокупность программ, отражающих алгоритмы функционирования конкретного объекта. В УЧПУ низших классов СПО заложено конструктивно и не может быть изменено, и УЧПУ может управлять лишь данным объектом (например, только станками токарной группы с двумя координатами). В многоцелевых системах, обеспечивающих управление широким классом объектов, при настройке СЧПУ для решения определенного круга задач СПО вводится извне. Это необходимо, поскольку у разных объектов существуют различия в алгоритмах формообразования по числу координат управления, скоростям и ускорениям движения инструмента. Разнообразие типов приводов и состава технологических команд объектов ведет к различиям в количестве и характере сигналов обмена.

В автономных многоцелевых устройствах управления СПО вводится с перфоленты, с дискеты, с компакт-диска (CD), а в автоматизированных устройствах (в составе АСУ ТП, ГАП,) - по каналу связи с ЭВМ верхнего уровня. Естественно, что СПО хранится в памяти системы до тех пор, пока не меняется объект управления. При замене объекта управления (например, вместо токарного станка к СЧПУ подключается промышленный робот) необходим ввод в СЧПУ новых программ (СПО), которые определили бы алгоритмы функционирования этого нового объекта.

Необходимо различать СПО и управляющие программы: СПО остается неизменным для данного объекта управления, а УП изменяются при изготовлении разных деталей на одном и том же объекте. В многоцелевых СЧПУ память для хранения СПО должна быть энергонезависимой, т.е. сохранять информацию при пропадании напряжения питающей сети.

^ Ввод и хранение УП. Управляющая программа может вводиться в СЧПУ с пульта управления, с дискеты или по каналам связи с ЭВМ высшего уровня. Память для хранения УП, которая обычно представляется в коде ИСО, должна быть энергонезависимой. В СЧПУ высших классов УП обычно вводится сразу и целиком и запоминается в оперативной памяти системы. Мощные компьютерные УЧПУ позволяют записывать и хранить большое количество УП в памяти своей ЭВМ.

^ Интерпретация кадра. Управляющая программа состоит из составных частей - кадров. Отработка очередного кадра требует проведения ряда предварительных процедур, называемых интерпретацией кадра. Для непрерывности контурного управления процедуры интерпретации i 1-го кадра должны быть реализованы во время управления объектом по i -му кадру. Иначе говоря, система управления должна быть готова к немедленной (без перерывов на чтение и распознавание кадров) выдаче команд управления в соответствии с командами последующего кадра после исполнения команд, заложенных в кадре текущем.

Интерполяция. СЧПУ должна обеспечить с требуемой точностью автоматическое получение (расчет) координат промежуточных точек траектории движения элементов управляемого объекта по координатам крайних точек и заданной функции интерполяции.

^ Управление приводами подач. Сложность управления зависит от типа привода. В общем случае задача сводится к организации цифровых позиционных следящих систем для каждой координаты. На вход такой системы поступают коды (код), соответствующие результатам интерполяции. Этим кодам должно отвечать положение по координате (линейное или угловое) перемещающегося объекта. Определение действительного положения перемещающегося объекта и сообщение о нем в систему управления осуществляются датчиками обратной связи. Кроме управления в режиме движения по заданной траектории необходима организация и некоторых вспомогательных режимов: согласование системы управления приводами с истинным положением датчиков обратной связи, установка системы приводов в фиксированный нуль станка, контроль выхода за допустимые значения координат, автоматический выход приводов в режим торможения по определенным законам и др.

^ Управление приводом главного движения. Управление предусматривает включение и отключение привода, стабилизацию скорости, а в некоторых случаях - управление углом поворота как дополнительной координатой.

^ Логическое управление. Это управление технологическими узлами дискретного действия, входные сигналы которых производят операции типа «включить», «отключить», а выходные фиксируют состояния «включено», «отключено». В последнее время появились УЧПУ высочайшего уровня, обладающие свойствами нестандартной логики, своего рода высоким интеллектуальным уровнем.

^ Коррекция на размеры инструмента. Коррекция УП на длину инструмента сводится к параллельному переносу координат, т.е. смещению. Учет фактического радиуса инструмента сводится к формированию такой траектории, которая является эквидистантной запрограммированной. В ряде УЧПУ высокого уровня возможна коррекция и учет в УП до 15 различных параметров инструмента.

^ Реализация циклов. Выделение повторяющихся (стандартных) участков программы, называемых циклами, является эффективным методом сокращения УП. Так называемые фиксированные циклы характерны для определенных технологических операций (сверления, зенке­рования, растачивания, нарезания резьбы и т. п.) и встречаются при изготовлении многих изделий. При разработке УП фиксированные циклы указываются в программе, а их отработка ведется в соответствии с определенной подпрограммой, заложенной в память СЧПУ системой программного обеспечения или конструктивной схемой. В УЧПУ высокого уровня в памяти управляющей ЭВМ может храниться, а, следовательно, может быть оперативно использовано до 500 стандартных циклов и подпрограмм.

Программные технологические циклы соответствуют повторяющимся участкам данной обрабатываемой детали. Эти циклы в определенных СЧПУ также могут быть выделены и занесены в оперативную память СЧПУ, а при повторениях в соответствии с командами УП реализовываться с вызовом их из оперативной памяти.

^ Смена инструмента. Эта функция характерна для многоинструментальных и многоцелевых станков. Задача смены инструмента в общем случае имеет две фазы: поиск гнезда магазина с требуемым инструментом и замену отработавшего инструмента на новый. В ГАП со складом инструментов имеются сложные системы автоматического снабжения (замены) инструментов магазинов станков.

^ Коррекция погрешностей механических и измерительных устройств. Любой конкретный агрегат механообработки (т.е. объект управления) можно аттестовать с помощью измерительных средств достаточно высокого класса точности. Результаты такой аттестации в виде таблиц погрешностей (внутришаговая ошибка, накопленная ошибка, люфты, температурные погрешности) заносятся в память СЧПУ. При работе системы текущие показания датчиков агрегатов корректируются данными из таблиц погрешностей. Системы высокого уровня имеют встроенные контрольно-измерительные комплексы, контролирующие основные параметры станка в так называемом фоновом режиме. Результаты контроля тотчас же используются для проведения необходимых коррекций.

^ Адаптивное управление обработкой. Для осуществления такого управления необходимая информация получается от специально установленных датчиков, с помощью которых измеряют момент сопротивления резанию или составляющие сил резания, мощность привода главного движения, вибрацию, температуру, износ инструмента и др. Чаще всего адаптация осуществляется изменением контурной скорости или скорости привода главного движения.

^ Накопление статистической информации. К статистической информации относятся фиксация текущего времени и времени работы системы и ее отдельных узлов, определение коэффициента загрузки оборудования, учет изготовленной продукции, фиксация ее отдельных параметров и т.д.

^ Автоматический встроенный контроль. Организация такого контроля в зоне обработки особенно актуальна для ГАП. Непрерывный контроль по формируемым размерам обрабатываемого изделия - одна из основных задач повышения качеств обработки.

^ Дополнительные функции. К дополнительным функциям можно отнести следующие: обмен информацией с ЭВМ верхнего уровня, согласованное управление оборудованием технологического модуля, управление элементами автоматической транспортно-складской системы, управление внешними устройствами, связь с оператором, техническую диагностику технологического оборудования и самой системы ЧПУ, оптимизацию отдельных режимов и циклов технологического процесса и др.

^ ИНФОРМАЦИОННАЯ СТРУКТУРА СЧПУ СТАНКАМИ

К СЧПУ относят средства, участвующие в выработке по заданной программе управляющих воздействий на исполнительные органы станка и другие механизмы, средства внесения и управляющее воздействие внешних и адаптивных поправок, а также средства диагностики и контроля работоспособности СЧПУ и станка при изготовлении детали. СЧПУ станком должна включать: технические средства; программное обеспечение (для программируемых СЧПУ); эксплуатационную документацию.

К техническим средствам СЧПУ относятся: вычислительно-логическая часть (включая запоминающие устройства различного типа для программируемых систем); средства формирования воздействий на исполнительные органы станка (приводы подач и главного движения, исполнительные аппараты электроавтоматики и др.); средства связи с источниками информации о состоянии управляемого объекта (измерительными преобразователями различных видов, устройствами контроля, адаптации, диагностики и др.); средства, обеспечивающие взаимодействие с внешними системами и периферийными устройствами (каналы связи с ЭВМ высшего ранга и др.). Технические средства, входящие в состав СЧПУ, обычно конструктивно оформляются в виде автономного устройства - УЧПУ.

Основными классификационными признаками СЧПУ являются уровень сложности управляемого оборудования и число осей, связанных решением единой интерполяционной задачи во времени. По этому признаку СЧПУ станками подразделяют на следующие группы:


  • СЧПУ с прямоугольным формообразованием по одной оси координат;

  • СЧПУ с контурным формообразованием при ограниченном составе функций по двум или трем осям координат (информационным каналам);

  • СЧПУ срасширенными функциональными возможностями для оснащения многоцелевых станков и станков со сложным объемным формообразованием по четырем-пяти осям координат (информационным каналам);

  • СЧПУ с расширенными функциональными возможностями, включая специальные задачи управления, для оснащения тяжелых и уникальных станков и станочных модулей по 10-12 осям координат (информационным каналам).

Сложность структуры СЧПУ определяется по информационным признакам и оценивается числом и характером информационных каналов, используемых при работе системы. В связи с тем, что информационное назначение устройств и их элементов, входящих в СЧПУ, различно, их относят к различным иерархическим рангам. Обычно СЧПУ станками имеет двух- или трехранговую структуру, обеспечивая при этом выходы на более высокие ранги для работы в качестве компонентов ГПС, автоматизированных линий, участков и других производственных комплексов.

При структурно-информационном анализе СЧПУ принято определенное распределение уровней и информационных каналов.

Уровень 0-го ранга - это совокупность таких факторов, как температура, качество материалов, данные контрольно-измерительной аппаратуры и др.

Уровень 1-го ранга - это преобразователи, формирующие информацию каналов:

По положению исполнительных органов станка,

По технологическим и размерным параметрам, характеризующим состояние технологической системы;


  • по параметрам возмущений, вносимых в технологическую систему;

  • по точности детали, обрабатываемой на станке;

  • по замене приспособлений, инструмента и готовности станка;

  • по наблюдению за правильным ходом процесса резания и регистрации возникающих неполадок, а также выработке способов их устранения.

Уровень 2-го ранга - это совокупность исполнительных регулируемых приводов и исполнительных механизмов станка:

основных, осуществляющих программное перемещение исполнительных органов,

вспомогательных, выполняющих различного рода технологические команды, в том числе при помощи робота

дополнительных, предназначенных для подналадочных и корректирующих перемещений.

Уровень 3-го ранга - уровень технических средств СЧПУ.

Уровни 4-го и более высоких рангов выходят за пределы СЧПУ и станка. К уровню 4-го ранга относится, например, внешняя ЭВМ.

В наиболее общем случае СЧПУ металлорежущими станками имеют трехранговую структуру.

Классификация устройств ЧПУ

К УЧПУ сходятся все нити управления автоматическими механизмами станка. Конструктивно УЧПУ выполнено как автономный электронный агрегат, имеющий устройство ввода УП, вычислительную часть, электрический канал связи с автоматическими механизмами станка.

Внешний вид УЧПУ во многом определен панелью управления, с которой осуществляется выбор одного из следующих режимов управления станком: ручной, наладка, полуавтоматический, автоматический; производится исправление программы в период ее отладки, вводится коррекция, ведется контроль за выполнением команд и наблюдение за правильной работой станка и самого устройства ЧПУ и др. Панель управления (пульт) УЧПУ, в свою очередь, определяется системой программирования, принятой для данного устройства, характерными признаками принятой системы программного управления, классом СЧПУ.

В соответствии с международной классификацией все УЧПУ по уровню технических возможностей делятся на следующие основные классы: NC (Numerical Control); SNC(Stored Numerical Control); CNC (Computer Numerical Control); DNC (Direct Numerical Control); HNC (Handled Numerical Control); VNC (Voise Numerical Control).

Структурно-информационный анализ этих систем достаточно сложен, хотя позволяет выделить в них наличие определенных функциональных элементов и информационных каналов. Классификация для реальных УЧПУ также является условной, поскольку реализация функций ЧПУ может быть такой, что реальный вариант системы управления представляет собой синтез отдельных признаков систем разных классов. Особенно это относится к УЧПУ с признаками класса DNC , которые реализуются как системы классов DNC-NC, DNC-SNC, DNC-CNC и др. к УЧПУ класса CNC , которые реализуются как системы VNC, CNC-HNC и др.

СИСТЕМЫ КЛАССОВ NC И SNC

Станки, оснащенные УЧПУ классов NC и SNC , в настоящее время еще имеются в практике предприятий, но выпуск систем этих классов уже прекращен. Это наиболее простые системы управления с ограниченным числом информационных каналов. В составе этих систем отсутствует оперативная ЭВМ, и весь поток информации обычно замыкается на уровне 3-го ранга. Внешним признаком УЧПУ классов NC и SNC является способ считывания и отработки УП.

^ Системы класса NC .

В системах класса NC принято покадровое чтение перфоленты на протяжении цикла обработки каждой заготовки. Системы класса NC работают в следующем режиме. После включения станка и УЧПУ читаются первый и второй кадры программы. Как только заканчивается их чтение, станок начинает выполнять команды первого кадра. В это время информация второго кадра программы находится в запоминающем устройстве УЧПУ. После выполнения первого кадра станок начинает отрабатывать второй кадр, который для этого выводится из запоминающего устройства. В процессе отработки станком второго кадра система читает третий кадр программы, который вводится в освободившееся от информации второго кадра запоминающее устройство, и т.д.

Основным недостатком рассмотренного режима работы является то, что для обработки каждой следующей заготовки из партии системе ЧПУ приходится вновь читать все кадры перфоленты, в процессе такого чтения нередко возникают сбои из-за недостаточно надежной работы считывающих устройств УЧПУ. В результате отдельные детали из партии могут оказаться бракованными. Кроме того, при таком режиме работы перфолента быстро изнашивается и загрязняется, что еще более увеличивает вероятность сбоев при чтении. Наконец, если в кадре записаны действия, которые станок выполняет очень быстро, то УЧПУ за это время может не успеть прочитать следующий кадр, что также ведет к сбоям.

В настоящее время УЧПУ класса ^ NC уже не выпускаются.
Системы класса SNC .

Эти системы сохраняют все свойства систем класса NC , но отличаются от них увеличенным объемом памяти. Системы класса SNC позволяют прочитать все кадры программы и разместить информацию в запоминающем устройстве большой емкости. Перфолента читается только один раз перед обработкой всей партии одинаковых деталей и поэтому мало изнашивается. Все заготовки обрабатываются по сигналам из запоминающего устройства, что резко уменьшает вероятность сбоев, а, следовательно, и брак деталей. В настоящее время УЧПУ класса SNC уже не выпускаются. Однако схема работы этих систем является очень показательной и определяет существо программного управления. При работе станка, управляемого системой NC или SNC , кодированная программа вводится на перфоленте. Кроме того, отдельные команды могут быть введены с пульта управления УЧПУ или с панели управления станком. Информация с перфоленты через блоки ввода и декодирования поступает в память. При работе станка в автоматическом режиме команды программы, обработанные интерполятором, через блоки управления поступают к приводам. Скорость приводов регулируется по данным системы обратной связи, а перемещения для приводов подач - по данным путевых датчиков перемещения ПД
СИСТЕМЫ КЛАССОВ CNC, DNC, HNC

Развитие вычислительной техники, уменьшение габаритов ее элементов, расширение функциональных возможностей позволило создать УЧПУ на базе ЭВМ, установив, мощную вычислительную технику прямо к станку в производственные цеха. Новые системе совместили функции управления станком и решение почти всех задач подготовки УП.

^ Системы класса CNC

Основу УЧПУ класса CNC составляют:


  • компьютер, запрограммированный на выполнение функций числового программного управления,

  • блоки связи с координатными приводами, блоки выдачи технологических команд в требуемой логической последовательности,

  • системные органы управления и индикации,

  • каналы обмена данными с центральной ЭВМ верхнего уровня.

В системах класса CNC возможно в период эксплуатации изменять и корректировать как УП обработки детали, так и программы функционирования самой системы в целях максимального учета особенностей данного станка. Каждая из выполняемых функций обеспечивается своим комплексом подпрограмм. Подпрограммы увязываются общей координирующей программой-диспетчером, осуществляющей гибкое взаимодействие всех блоков системы.

Программный комплекс системы управления может быть построен по модульному принципу. Основные модули у такой системы:


  • программа управления загрузкой УП, включая подпрограммы ввода и расшифровки кадра;

  • программа управления станком, включающая подпрограмму управления координатными перемещениями и подпрограмму выполнения технологических команд.

Программа управления координатными перемещениями состоит из блоков интерполяции, задания скорости, управления быстрым ходом, а эти блоки, в свою очередь, включают следующие модули:


  • программу подготовки данных;

  • организующую программу-диспетчер;

  • драйверы - стандартные операторы для работы с внешними устройствами.

В запоминающее устройство системы CNC УП может быть введена полностью не только с дискеты или по каналу внешней связи, но и отдельными кадрами - вручную с пульта УЧПУ. В кадрах программы могут записываться не только команды на задания отдельных движений рабочих органов, но и команды, задающие целые группы движений, называемые постоянными циклами, которые хранятся в запоминающем устройстве СПУ. Ряд систем имеет библиотеку типовых программ, встроенную САП и т.д. Это приводит к резкому уменьшению числа кадров УП, к сокращению сроков ее подготовки и повышению надежности работы станка.

Системы класса ^ CNC позволяют достаточно просто выполнять врежиме диалога доработку и отладку УП и их редактирование, используя ручной ввод информации и вывод ее на дисплей, а также получить отредактированную и отработанную программу на магнитном диске (дискете) и т.п. В процессе работы допускаются самые различные виды коррекций.

Достоинства систем класса CNC :

низкая стоимость,

малые габариты,

высокая надежность,

многие УЧПУ этого класса имеют математическое обеспечение, с помощью которого можно учитывать и автоматически корректировать постоянные погрешности станка и тем самым влиять на совокупность причин, определяющих точность обработки,

использование систем контроля и диагностики повышает надежность и работоспособность станков с УЧПУ класса ^ CNC .

Некоторые УЧПУ класса CNC имеют специальные тест-программы для проверки работоспособности всех структурных частей системы. Эти тест-программы отрабатываются при каждом включении устройства, и в случае исправности всех частей возникает сигнал готовности системы к работе. В процессе работы станка и УЧПУ тест-программы частями отрабатываются в так называемом фоновом режиме, не мешая отработке основной УП. В случае появления неисправности на табло световой индикации возникает ее код, затем с помощью кода по таблице определяются место и причина неисправности. Кроме того, система определяет ошибки, связанные с неправильной эксплуатацией устройства или с превышением параметров теплового режима, позволяет найти напряжение для питания и другие параметры.

Неотъемлемой частью УЧПУ класса CNC является обширная встроенная память, которая может быть использована в качестве архива УП.

Весьма важным средством оптимизации связи процессорного УЧПУ и станка является введение в память параметров или констант станка. С помощью этих констант могут быть автоматически учтены ограничения на зону обработки, заданы требования к динамике конкретных приводов, сформированы фазовые траектории разгонов и торможений, учтены конкретные особенности коробок скоростей, приводов подач, скомпенсированы систематические погрешности этих передач и др.

Реальное представление УЧПУ класса CNC высокого уровня предполагает наличие двух пультов - панель оператора и станочный пульт, совмещение блоков ЧПУ с программируемым контроллером, раздельного типа системы управления приводами подач и шпинделя. Система отличается простым программированием и пользовательским комфортом, обеспечивает все виды функций современного УЧПУ, усиленную систем коррекции по компенсации люфта, ошибок измерительной системы, ошибок хода винта, ошибок УП, имеет набор стандартных циклов для программирования, универсальный интерфейс и т.п.

^ Системы класса DNC

Системами класса DNC можно управлять непосредственно по приводам от центральной ЭВМ, минуя считывающее устройство станка. Однако наличие ЭВМ не означает, что необходимость в УЧПУ у станков полностью отпадает. В одном из наиболее распространенных вариантов систем DNC каждый вид оборудования на участке сохраняет свои УЧПУ классов NC, SNC, CNC . Нормальным для такого участка является режим работы с управлением от ЭВМ, но в условиях временного выхода из строя ЭВМ такой участок сохраняет работоспособность, поскольку каждый вид оборудования может работать с помощью дискеты, подготовленной заранее на случай аварийной ситуации.

В функции DNC входит управление и другим оборудованием автоматизированного участка, например автоматизированным складом, транспортной системой и промышленными роботами, а также решение некоторых организационно-экономических задач планирования и диспетчирования работы участка. Составной частью программно-математического обеспечения DNC может быть специализированная система автоматизации подготовки УП. Редактирование УП в DNC возможно на внешней ЭВМ, на которой ведется автоматизированная подготовка УП, на ЭВМ, управляющей группой станков, и на ЭВМ, встроенной в УЧПУ конкретного станка. Во всех случаях подготовленные и отредактированные УП для оборудования участка хранятся в памяти ЭВМ управляющей группой станков, откуда они передаются на станки по каналам связи.

^ Системы класса НNC

Оперативные УЧПУ класса HNC позволяют ручной ввод программ в электронную память ЭВМ УЧПУ непосредственно прямо с ее пульта. Программа, состоящая из достаточно большого числа кадров, легко набирается и исправляется с помощью клавиш или переключателей на пульте УЧПУ. После отладки она фиксируется до окончания обработки партии одинаковых заготовок. Первоначально УЧПУ класса HNC , имея упрощенную схему, в ряде случаев не обладали возможностью внесения коррекций, буферной памятью и другими элементами.

Современные УЧПУ класса ^ HNC построены на базе лучших УЧПУ класса CNC , лишь формально отличаясь от последних отсутствием устройств для ввода УП с перфолент. Но УЧПУ класса HNC имеют входное устройство для подключения внешних устройств. Новейшие модели УЧПУ класса HNC имеют повышенный объем памяти встроенной микроЭВМ. Подобные устройства позволяют вести программирование с пульта УЧПУ в режиме диалога и при использовании большого архива стандартных подпрограмм хранящихся в памяти встроенной микроЭВМ. Эти подпрограммы по команде с пульта вызываются на экран дисплея, на экране высвечиваются как схема обработки, так и текст с перечнем необходимых данных для ввода в УЧПУ по выбранной подпрограмме.

УЧПУ классов CNC, DNC, HNC обеспечивают также автоматический выбор инструмента из имеющихся в наличии в магазине станка, определяют режимы обработки выбранным инструментом для деталей из различных материалов, находят оптимальную последовательность операций и т. д. В общем случае такие системы позволяют вести подготовку УП непосредственно у станка по чертежу детали без каких-либо особых предварительных работ технологического характера. Это, естественно, накладывает повышенные требования на профессиональную подготовленность оператора станка с ЧПУ. Ряд УЧПУ рассматриваемого класса позволяют вести программирование параллельно с работой станка по ранее отработанной и хранящейся в памяти УЧПУ программе, что исключает простои станков.

УЧПУ классов CNC, DNC, HNC относятся к устройствам с переменной структурой. Основные алгоритмы работы этих устройств задаются программно и могут изменяться для различных условий, что позволяет уменьшить число модификаций УЧПУ, ускорить их освоение, в том числе УЧПУ с самоподнастраивающимися алгоритмами. УЧПУ этих классов имеют структуру ЭВМ и обладают характерными признаками вычислительной машины. Для работы УЧПУ должно быть соответствующим образом запрограммировано. Для этого подобные системы имеют специальное программно-математическое обеспечение, представляющее собой комплекс алгоритмов переработки информации, поступающей в виде УП. Математическое обеспечение может вводиться в систему через устройство ввода, как и основная УП. Тогда система ЧПУ относится к классу свободно программируемых. В иных случаях математическое обеспечение закладывается в постоянную память системы на стадии ее изготовления. Однако во всех случаях существуют возможности для изменения, дополнения, обогащения этого математического обеспечения, поэтому подобные УЧПУ обладают большой гибкостью и способностью к функциональному наращиванию.

Возможности современных УЧПУ классов CNC, DNC, HNC безграничны и определены лишь возможностями использованных в них ЭВМ.

Системы класса VNC

УЧПУ класса VNC позволяют вводить информацию непосредственно голосом. Принятая информация преобразуется в УП и затем в виде графики и текста отображается на дисплее, чем обеспечивается визуальный контроль введенных данных, их корректировка и отработка. Особенно активно речевой ввод информации внедряется в робототехнику; В системах управления роботами используют два метода преобразования речевых сигналов в команды: «синтез по правилам» или «синтез по образцам».

В первом случае речевой ввод реализуется только при наличии хранящихся в памяти пульта оператора правил. Здесь трудно получить высокое качество из-за ограниченной емкости памяти и сложности программ составления речевых сообщений. Система содержит запоминающее устройство для хранения кодов текста сообщений, преобразователь текста и синтезатор. Преобразователь текста переводит звуковые сигналы текста в фонетические символы и осуществляет синтаксический анализ. Полученные символы используются как кодовые знаки для организации программы управления.

При методе «синтез по образцам» в основе синтезатора лежит линейная модель речеобразования на базе генераторов основного тока, линейного фильтра и модели изучения. Это расширяет объем команд речевого ввода.

Однако УЧПУ класса VNC пока еще не получили распространение в промышленности, но, вероятно, вближайшем будущем будут представлены широко как наиболее совершенные конструкции, обеспечивающие сервисные возможности высочайшего уровня.

^ NEURO-FUZZY (HEЙPO-ФAЗЗИ) СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Начало работ с компьютерными нейронными сетями относится к 40-м годам, однако только современные компьютерные технологии открыли путь к их коммерческому использованию. В настоящее время над созданием нейронных сетей различного назначения трудится множество фирм, но пока лишь некоторые сумели осуществить внедрения NEURO-FUZZY систем управления в практику производства. По общему убеждению этим системам принадлежит будущее.

Компьютерные нейронные сети - это специальный тип компьютеров, в той или иной степени имитирующих мыслительные процессы мозга. В этих компьютерах данным организуются подобно нейронам мозга в сети смногоуровневыми связями. Эти системы достаточно просто решают не только обычные типовые задачи, но главным образом неожиданно возникшие в процессе обработки не стандартные, не типовые задачи, решение которых требует не стандартной логики, т.е. определенного интеллекта. Нейронные сети решают задачи, которые обычному быстродействующему компьютеру совершенно не по силам.

^ Нейро-фаззи ЧПУ-генераторы W (фирма SODICK Co.Ltd ., Япония) - первая в мире промышленная система управления с искусственным интеллектом на основе компьютерной нейронной сети. Система используется для управления электороэрозионными координатно-прошивочными станками. В нейро-фаззи кроме компьютерной нейронной сети входит также система фаззи-управления или управления по нечетким множествам с использованием экспертной фаззи-логики.

Система обеспечивает полностью автоматизированное управление электроэрозионной обработкой, обеспечивая оптимальные ее условия и режимы. Программирование обработки ведется в диалоге оператор - УЧПУ, при котором оператор лишь отвечает на графически иллюстрированные и интуитивно понятные вопросы машины (рис. 1.2).

Для задания исходных данных не требуется таблиц режимов и инструкций, оператор вводит минимум данных, и система сама автоматов чески рассчитывает режимы и условия работы станка. При этом от позиционирования и до конца обработки не нужны коды ЧПУ, а также особый опыт работы на данном оборудовании.

Рис. 1.2. Блок-схема Нейро-фаззи ЧПУ-генератора W
Фаззи-контроль режимов и хода обработки с мгновенной реакцией на любые отклонения оптимизирует процесс до максимума производительности и эффективности. Система нейрообучения автоматически корректирует результаты и добивается требуемого качества и производительности. Опыт самообучения применяется системой в последующих обработках, поскольку система запоминает то, что она делает. Система не требует длительного времени для освоения, на станках с такими системами даже неопытный оператор работает быстрее и эффективнее, чем квалифицированный на станке с обычными системами ЧПУ.

ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ

Программируемые контроллеры

Контроллер – это специализированный аппарат, дооснащенный терминалом в виде персонального компьютера. Возрастание мощности и уровня сервиса персонального компьютера позволяет объединить терминал, программатор и собственно контроллер в рамках единой компьютерной системы с дополнительным модулем ввода-вывода сигналов электроавтоматики.

Существует прообраз, который называют системой ^ РСС (Personal Computer Controller – персональный программируемый контроллер). Развитие РСС идет в следующих направлениях:


  • использование однокомпьютерного варианта с системой Windows;

  • увеличение числа функций интерфейса оператора за счет многорежимного управлении и применения встроенных инструментальных систем программирования;

  • поддержание в реальном времени динамических графических моделей управляемого объекта;

  • применение визуального программирования электроавтоматики (например по типу графического языка HighGraph фирмы Siemens ).

Основная задача контроллера состоит в одновременном выполнении нескольких команд и параллельной обработке внешних сигналов. Каждый процесс контроллера, который нуждается в выделении отдельного потока, выполняется в рамках основного процесса. Процессорное время, выделяемое операционной системой основному процессору, должно быть разделено между потоками. Процессорное время выделяется потокам отдельными квантами. В каждом кванте может реализовываться только один поток. Все потоки разделены на группы по приоритетам – чем меньше время реакции на внешнее воздействие, тем выше приоритет поток

Рекомендуем также

Loading...Loading...