5.3 Разработка структурной схемы системы чпу станка и её конфигурирование

При разработке структурной схемы системы управления станка важно показать, какие именно технические средства и их модификации использованы в этой системе.

Пример представления структурной схемы представлен на рис. 5.9.

В состав этой системы управления входят:

• система ЧПУ SINUMERIK 840D;

• программируемый контроллер автоматики SIMATIC S7-300 с процессором CPU-314C и станцией ЕТ200М с модулями ввода-вывода для распределенной периферии;

• панель оператора 12'' TFT с жидкокристаллическим экраном;

• комплект измерительных линеек, обеспечивающих точность отсчета не хуже 0,001мм;

• комплект модулей цифрового управления приводами подач типа SIMODRIVE 611;

• комплект высокомоментных сервомоторов для приводов подач;

• преобразователь SIMOREG для привода главного движения с двигателем постоянного тока;

• комплект средств для ручного управления.

Рисунок 5.9 – Структурная схема системы управления токарного станка HOESCH DB3000

Порядок проектирования структурной схемы системы управления заключается в следующем.

Объект управления декомпозируется, т.е. разделяется на ряд конструктивных узлов и механизмов. В результате декомпозиции должны быть получены структурные компоненты, которые включают у себя один объект управления, например, привод.

После этого осуществляется анализ сигналов, необходимых для управления каждым структурным компонентом.

Для анализа входных и выходных дискретных сигналов их следует разделить по функциональному назначению. В приведенных ниже таблицах сигналы разделены на следующие группы (пример):

• входные сигналы, ответственные за питание системы (табл. 5.3);

• входные сигналы управления элементами гидроавтоматики (табл. 5.4);

• входные сигналы, ответственные за позиционирование и работу системы управления приводом подачи суппорта (табл. 5.5).

• выходные сигналы контроллера, которые относятся к управлению приводом подачи (табл. 5.6).

После определения количества и атрибутов (свойств) информационных и управляющих сигналов производится выбор базовой системы, например, SINUMERIK 810D, и ее компоновка необходимыми средствами управления. Эта процедура называется конфигурированием системы управления.

Таблица 5.3 - Входные дискретные сигналы, ответственные за питание (пример, фрагмент)

Символ	Тип	Назначение
AC_220V_1_Ok	BOOL	220В, 50Гц в норме
AC_24V_Ok	BOOL	24В, 50Гц в норме
Operating_supply_24V_Ok	BOOL	+24В в норме
Power_supply_24V_Ok	BOOL	Силовое напряжение 24В в норме
Infeed_modul_Ok	BOOL	Модуль питания в норме
Infeed_module_no	BOOL	Модуль питания выключен
Infeed_moduel_contact_ON	BOOL	Внутренний контактор модуля питания включен
AC_220V_main_cut_out_Ok	BOOL	Вводный автомат включен
Power_supply_ETA_24V_Ok	BOOL	Силовое напряжение 24В в норме
No_OFF_machine	BOOL	Выключения станка нет
Machine_ON_1	BOOL	Станок включен
Machine_ON_2	BOOL	Станок включен
Check_Fuse_4	BOOL	Контроль предохранителей группы 4
Check_Fuse_5	BOOL	Контроль предохранителей группы 5

Таблица 5.4 - Входные дискретные сигналы гидроавтоматики управления приводом подачи суппорта (пример, фрагмент)

Символ	Тип	Назначение
ST_Protect_Pump_lubr	BOOL	Автомат двигателя насоса проточного смазки оси X, Z
ST_Flow_axis_Z_OK	BOOL	Недостаток протока ось Z
ST_Flow_axis_X_OK	BOOL	Недостаток протока ось X
ST_Protect_Pump1_X	BOOL	Автомат двигателя маслонасоса 1 гидростатики
ST_Protect_Pump2_X	BOOL	Автомат двигателя маслонасоса 2 гидростатики X
ST_Flow_X1_OK	BOOL	Недостаток протока маслонасоса 1 гидростатики X
ST_Flow_X2_OK	BOOL	Недостаток протока маслонасоса 2 гидростатики X
ST_Protect_Pump1_Z	BOOL	Автомат двигателя маслонасоса 1 гидростатики Z
ST_Pump1_ON_OK	BOOL	Контроль включения контактора насоса 1 гидростатического червяка

Таблица 5.53 - Входные дискретные сигналы, ответственные за работу системы управления приводом подачи (пример, фрагмент)

Символ	Тип	Назначение
Taster_15	BOOL	Квитирование пользовательских ошибок
No_Emergency_stop_1	BOOL	Нет аварийного останова 1
No_Emergency_stop_2	BOOL	Нет аварийного останова 2
HHU_ON	BOOL	Выносной пульт включен
HHU_enable_1	BOOL	Разрешена работа выносному пульту
ST_Limit_switch_-X	BOOL	Ограничение хода оси -Х
ST_Limit_switch_+X	BOOL	Ограничение хода оси +Х
ST_Reference_switch_X	BOOL	Привязка оси Х
No_Emergency_stop_9	BOOL	Нет аварийного останова 9
ST_Limit_switch_-Z	BOOL	Ограничение хода оси –Z
ST_Limit_switch_+Z	BOOL	Ограничение хода оси +Z
ST_Reference_switch_Z	BOOL	Привязка оси Z

Таблица 5.6 – Выходные сигналы контроллера Simatic S7-300 (пример, фрагмент)

Символ	Тип	Назначение
ST_Pump_ON	BOOL	Включение насоса гидростатической разгрузки червяка
ST_Pump_prior_ON	BOOL	Включение насоса предварительного давления
ST_prior_pressure_ON	BOOL	Включение электромагнита предварительного давления
ST_Pump_recycle_ON	BOOL	Включение отсасывающего насоса
ST_cooling_fluid_ON	BOOL	Включение электромагнита охлаждающего средства
ST_air_ON	BOOL	Включение электромагнита воздуха
Main_circuit_ON_enable	BOOL	Разрешение включения станка

В существующей системе рынка действуют специальные программы, которые позволяют автоматизировать процесс выбора аппаратных средств и проектирования конфигураций. Такая программа разработана и для систем программного управления SINUMERIK известного немецкого концерна SIEMENS.

Для конфигурирования системы ЧПУ SINUMERIK фирма SIEMENS предлагает применять конфигуратор NCSD, который представляет собой универсальную программу по интерактивному каталогу продукции фирмы. При запуске программы устанавливается меню для выбора средств и “дерево” проекта.

Процесс проектирования начинается из выбора базового комплекта – SINUMERIK 802, SINUMERIK 810 или SINUMERIK 840. Дальше с учетом необходимой производительности выбирается тип центрального процессора ЧПУ. Проверка выбранного процессора осуществляется по количеству управляемых осей координат.

В базовой конфигурации система комплектуется NCU 561.4. Это устройство ЧПУ может выполнять только простые задачи управления по двум координатам – линейной оси и шпинделя. При этом линейная ось выполняет только позиционирование, а интерполяция реализуется в виде связи двух осей (для нарезания резьбы). Для обеспечения управления более сложными процессами потребуется установить другой модуль NCU, выбрав его из приведенных на вкладке “NCU” (рис. 5.10).

Выбор NCU производится с учетом количества необходимых групп режимов работы (ГРР), количества каналов программирования и количества поддерживаемых осей. Следует учесть, что нормальная конфигурация предусматривает одну группу режимов работы (ГРР). В предлагаемой на рисунке 5.4 таблице в скобках приведено максимальное количество групп, которые могут быть созданы в этой системе.

Рисунок 5.10 – Вид вкладки “NCU” для выбора устройства числового управления

Одна группа режимов работы объединяет каналы ЧПУ осями и шпинделями в один обрабатываемый блок, то есть представляет собой многоканальное устройство ЧПУ. Внутри группы каждая ось может программироваться в любом канале. Если канал один, а осей 5, то управление осями производится последовательно в одном рабочем цикле.

После выбора процессора выбирается панель оператора. При этом учитываются требования к характеру и содержанию информации, которая должна выводиться оператору и вводится оператором. Система может быть снабжена разными панелями. Одна из панелей показана на рисунке 5.11.

Рисунок 5.11 - Внешний вид панели оператора ОР 012

Дополнительно к панели оператора можно выбрать станочный пульт, кнопочные панели и переносные терминалы, электронные маховички для ручного управления координатными перемещениями, а потом осуществить выбор программного обеспечения для организации человеко-машинного интерфейса.

После выбора панели оператора и средств ручного управления переходим к конфигурированию аппаратуры для управления автоматикой.

На этом этапе сначала нужно определить тип центрального процессора контроллера. Для выбора предлагается три типа – CPU 314, CPU 315-2 DP и CPU 317-2 DP. Они отличаются быстродействием, объемом рабочей памяти, в которой выполняется пользовательская программа, и количеством поддерживаемых каналов ввода-вывода. Поэтому, приступая к выбору CPU, необходимо иметь представление о примерном объеме пользовательской программы, а также о количестве входных и выходных сигналов (аналоговых и дискретных). Требуемое количество входных и выходных сигналов необходимо ввести в соответствующих полях на вкладке «SM-модули» в окне «Входы/Выходы». Вместо задания количества входов-выходов можно выбрать количество модулей (окно «Список модулей вх/вых»). Если входные и выходные устройства удалены от главного шкафа управления, следует предусмотреть станции удаленного ввода-вывода, например, станцию ЕТ200М.

Далее можно выбрать функциональные модули FM353 и FM354.

Функциональные модули FM используются для управления шаговыми двигателями (FM 353) и серводвигателями (FM 354) в задачах позиционирования. При этом шаговый двигатель должен управляться через силовой модуль FM STEPDRIVE, а серводвигатель – через интерфейс 10В аналогового преобразователя SIMODRIVE 611. В случае выбора модуля FM 353 необходимо будет указать тип модуля STEPDRIVE, зависящий от крутящего момента шагового двигателя.

Важнейшим этапом процесса конфигурирования является выбор электродвигателей для станка.

Двигатели представлены рядом каталогов: серводвигатели 1FT, 1FK, линейные двигатели 1FN, шаговые двигатели 1FL, двигатели для привода главного движения (шпинделя) 1PM, 1PH, 1FE.

Для выбора двигателя конфигуратор предоставляет пользователю их описание, технические данные и характеристики, конструктивное выполнение, наличие тормоза, степень защиты и направление вывода кабеля. Здесь же можно выбрать модули питания, управляющие модули и преобразователи.

На заключительном этапе выбираются монтажные комплекты, клеммные блоки и разъемы для монтажа системы. В последнем пункте проекта выбирается необходимая документация и программное обеспечение.

Пример конструктивного представления сконфигурированной системы ЧПУ SINUMERIK 810D приведен на рисунке 5.12.

Рисунок 5.12 – Конструктивное представление проекта системы ЧПУ SINUMERIK 810D

Устройство ЧПУ SINUMERIK 810D (рис. 5.12) монтируется в стойке преобразователя SIMODRIVE 611, как показано на рисунке 5.13. Эта стойка, а также модуль простой периферии EFP, контроллер SIMATIC S7-300, состоящий из двух стоек, соединенных друг с другом интерфейсными модулями IM 361, могут быть расположены в шкафу управления. При этом панель оператора с клавиатурой целесообразно будет смонтировать непосредственно на станке.

Рисунок 5.13 – Конструкция модулей SIMODRIVE 611