1.6 Управление гпм

Задача управления гибким производственным модулем (см. рисунок 1.4) более сложная задача по сравнению с задачей управления отдельным станком или устройством.

Рассмотрим функции управления ГПМ как с точки зрения охвата области поиска решений, так и по назначению. В систему управления ГПМ входят разные средства: устройство ЧПУ, устройство управления роботом, монитор для диагностики процесса резания, программируемые контроллеры различного назначения. Поддержание диалога указанных локальных систем между собой и с ЭВМ верхнего уровня составляет задачу, решение которой осуществляется в рамках задачи диспетчирования (оперативного управления) в ГПМ. Каждая локальная система управления ориентирована на определённый вид оборудования в составе ГПМ и имеет собственные средства программирования. Управляющие программы ЧПУ, исполняемые на различных локальных системах управления, должны автоматически взаимодействовать между собой, т.е. их коллективное воспроизведение должно быть синхронизировано соответственно технологическому заданию.

Проиллюстрируем проблему на примере простейшего ГПМ, состоящего из токарного станка, робота с одним захватом, магазина заготовок и деталей (рисунок 1.33). Каждый вид оборудования оснащён своей локальной системой управления.

Выделим в полных управляющих программах трёх локальных систем управления такие фрагменты, которые могут быть исполнены независимо от других. Будем трактовать эти фрагменты как отдельные управляющие программы ЧПУ, обозначаемые соответственно СТ для станка, РОБ для робота, МАГ для магазина. Приведём содержание отдельных управляющих программ.

СТО: привести станок в состояние готовности к работе; СТ1: зажать заготовку в приспособлении станка (например, в патроне); СТ2: обработать заготовку на станке; СТ3: разжать заготовку в приспособлении станка; СТ4: привести станок в начальное состояние.

РОБО: привести робот в состояние готовности к работе и перемещать захват робота в безопасную зону Х1 в районе позиции передачи Х0 магазина; РОБ1: захватить заготовку, перемещать через зону Х1 в безопасную зону Х3 у станка и дальше в рабочую зону Х2 станка; РОБ2: разжать захват, перемещать захват робота в безопасную зону Х3 у станка; РОБ3: перемещать захват робота в рабочую зону Х2, захватить зажатую в патроне деталь; РОБ4: перемещать захват через безопасные зоны Х3 у станка и Х1 у магазина в позицию передачи Х0, установить деталь в позицию передачи, перемещать захват в безопасную зону Х1; РОБ5: привести робот в начальное состояние.

Рисунок 1.33 – Схема ГПМ

МАГО: привести магазин в состояние готовности к работе; МАГ1: перемещать магазин, чтобы в позиции передачи Х0 была следующая заготовка; МАГ2: перемещать магазин, чтобы в позиции передачи Х0 было свободное место под деталь; МАГ3: привести магазин в начальное состояние.

Последовательности и взаимосвязи отдельных управляющих программ ЧПУ, которые отрабатываются на различных локальных системах управления, показаны на рисунке 1.34. Для этого использовалась сеть Петри, причём переходы сети в большинстве случаев представляют отдельные управляющие программы ЧПУ, а позиции – отдельные состояния соответствующих локальных систем управления, занимаемые до и после выполнения очередного перехода, т.е. после выполнения управляющей программы ЧПУ.

Взаимосвязи между отдельными управляющими программами ЧПУ, выполняемыми на разных локальных системах управления, обозначены дугами из разных позиций в один переход. Это отражает отношение ожидания между разными управляющими программами ЧПУ: сначала должны быть помечены фишками все без исключения позиции, от которых дуги ведут в некоторый переход; только потом может быть реализован рассматриваемый переход, т.е. выполнена соответствующая управляющая программа ЧПУ. При этом условием для пометки фишкой всех упомянутых позиций является то, что выполнены все переходы, т.е. выполнены управляющие программы ЧПУ, от которых дуги ведут к соответствующим позициям.

Сложность организации диалога управляющих программ ЧПУ обусловлена асинхронным характером взаимодействия процессов, развивающихся в реальном времени собственных локальных систем управления, а также аппаратной и программной несовместимостью этих локальных систем управления.

Чтобы решить проблему взаимодействия управляющих программ ЧПУ, целесообразно рассматривать их выполнение в разных локальных системах управления как множество параллельных процессов, каждый из которых представляет собой совокупность отдельных управляющих программ для конкретной локальной системы управления. При таком подходе проблема взаимодействия управляющих программ ЧПУ напоминает проблему алгоритмов, объединённых в понятие пакета алгоритмов, решающих общую задачу. Проблема диспетчирования (оперативного управления) в ГПМ может быть, следовательно, решена на основе управления пакетом алгоритмов. Один из вариантов решения проблем – создание проблемно-ориентированного языка, средства которого нацелены на организацию, реорганизацию, наращивание (при необходимости) кооперативных связей между управляющими программами ЧПУ (написанными на разных языках) на разных локальных системах управления ГПМ.

Задача мониторинга (организации безлюдного функционирования) поддерживается в ГПМ целым арсеналом дополнительных средств. На первый взгляд, продолжительность безлюдного функционирования ГПМ при автономной эксплуатации определяется лишь объемом памяти: электронной для хранения управляющих программ ЧПУ и механической для накопления инструментов и заготовок. В действительности же средства поддержания безлюдного режима занимаются еще и предотвращением аварийных ситуаций, ликвидацией последствий отказа, принятием мер по возвращению к нормальной работе. Все эти обязанности могут быть возложены на систему поддержания работоспособности, которая должна следить за процессом резания, видом стружки, подачей смазочно-охлаждающей жидкости, контролировать работу отдельных механизмов и т.д.

Система поддержания работоспособности занимает свое место в цепи обратной связи, охватывающей систему управления ГПМ и сам ГПМ как объект управления (рисунок 1.35а). Задача системы состоит в устранении помех, препятствующих нормальному продолжению рабочего процесса.

Внутренняя структурная схема системы поддержания работоспособности показана на рисунке 1.35 б. Алгоритм поддержания работоспособности включает: сбор информации; оценку информации и выявление отклонений от нормы, установленной исходными данными; определение причины отклонения; принятие решения и выработку корректирующего воздействия, ликвидирующего обнаруженные отклонения; ввод корректирующих воздействий.

В качестве примеров событий, требующих вмешательства системы поддержания работоспособности, можно привести следующие: затупление инструмента, предельное изнашивание инструмента, поломку инструмента, увеличение припуска или твёрдости заготовки и др. Дополнительной функцией системы поддержания работоспособности может стать адаптивное управление или регулирование режимов резания (скорости резания, подачи, глубины резания) по ограничениям или по некоторому критерию оптимизации. В перспективе возможно и интеллектуальное управление, алгоритм которого будет совершенствоваться по мере автоматического накопления эмпирических данных.

Рисунок 1.35 – Подержание работоспособности ГПМ: а) место системы в общей структуре управления ГПМ; б) внутренняя структурная схема системы поддержания работоспособности

Перейдем к характеристике той задачи системы управления, которая обеспечивает поддержания свойств гибкости ГПМ. Гибкость ГПМ с трудом поддаётся сопоставимым количественным оценкам. Интуитивно понятно, что гибкость можно оценивать по размеру минимальной партии, которая может быть эффективно обработана модулем, или по общему количеству обрабатываемых ГПМ наименований деталей, или по количеству наименований деталей, которые могут быть обработаны с автоматической переналадкой. Эти показатели позволяют косвенно судить о вместимости инструментальных магазинов, об объёме памяти управляющих программ в устройстве ЧПУ, об уровне автоматизации переналадки и др. Однако качественно гибкость ГПМ воспринимается как его способность обрабатывать различные заготовки, поступающие в свободном потоке.

Цикл обработки неповторяющихся заготовок представлен на рисунке 1.36. Существо переходов цикла подсказывает, что в ГПМ необходимы некоторые дополнительные устройства и средства управления, помимо тех, которые существуют на уровне традиционного станка с ЧПУ.

Прежде всего, возникает проблема идентификации поступившей заготовки, которая должна быть абсолютно надёжной. С этой целью кодируют спутники и палеты с помощью кодовых планок и гребёнок; используют фотоэлектрические и видеосистемы распознавания образов; применяют самоклеящиеся этикетки с печатным штриховым кодом; оснащают палеты, спутники или заготовки микроэлектронными устройствами с памятью для дистанционной записи и чтения информации о перемещаемом объекте. Два последних способа приобретают наибольшую популярность, поэтому скажем о них подробнее.

Рисунок 1.36 – Цикл обработки неповторяющихся заготовок

Нормированное изображение отдельных знаков штрихового кода показано на рисунке 1.37. Каждый знак представлен двумя светлыми и двумя темными полосками различной длины. Любой знак начинается со светлой полосы. Распознавание знаков осуществляется специализированными аппаратными устройствами и поддерживается программным обеспечением системы управления.

Микроэлектронными устройствами с памятью (идентификаторами) оснащают заготовки, изделия и компоненты, свободно перемещаемые в производственном потоке. Аппаратура идентификатора достаточно миниатюрна и не мешает выполнению рабочего процесса.

Идентификатор несет в себе двадцатиразрядный (в десятичном представлении) код, который может быть дистанционно записан и прочитан с помощью специальных приборов (коммуникаторов), которые, в свою очередь, общаются через стандартный интерфейс с главной системой переработки данных. Таким образом, некоторую базу данных физически привязывают к технологическому процессу и детали, ведут эту базу с помощью центральной системы переработки данных. Идентификатор играет роль приёмопередатчика кодированных сигналов, а коммуникатор выполняет двоякие функции запроса и программирования идентификатора.

Для чтения кода коммуникатор через направленную антенну посылает идентификатору высокочастотный сигнал. В ответ идентификатор через рефлектор и свою антенну возвращает короткий сигнал, в котором несущая частота промодулирована числовым кодом, хранимым в памяти идентификатора. Этот ответный сигнал в коммуникаторе демодулируется, усиливается и после частотного квантования обращается в кодовую форму, которая и отображает ответ идентификатора на посланный запрос. При записи кода в память идентификатора коммуникатор посылает ему высокочастотный импульсный сигнал, последовательный код которого соответствует требуемой записи. Сигнал содержит ключ, деблокирующий плату для программирования. Сигнал принимается, очищается от помех, формируется и записывается в сдвигающий регистр памяти идентификатора.

							0
							1
							2
							3
							4
							5
							6
							7
							8
							9

Рисунок 1.37  Нормированное изображение отдельных знаков штрихового кода

Процессы записи и чтения должны быть абсолютно надёжны. Этим целям служит помехозащищённое кодирование, а также упомянутый выше ключ отпирания идентификатора. Функции защиты выполняются встроенным в коммуникатор микропроцессором.

Использование идентификатора может быть следующим:

- обрабатываемая заготовка сопровождается идентификатором на всём протяжении технологического маршрута, код идентификатора сегментирован, а отдельные сегменты несут указания различным станкам и роботам;

- в память идентификатора записываются промежуточные оценки качества, инструкции к передаче детали на доработку, подтверждения о выполнении операций, возложенных на ГПМ;

- в памяти идентификатора содержится информация о следующем по технологическому маршруту устройстве; эта информация используется транспортными средствами для перемещения детали; при этом в памяти идентификатора может остаться запрограммированным отчёт о действительном выполнении перемещения.

Из сказанного следует, что задача идентификации как в аппаратной части, так и в программной части достаточно сложна.

В цикле обработки неповторяющихся заготовок (см. рисунок 1.36), помимо установления типа заготовки, бывает необходимо ещё убедиться в правильности расположения зажима заготовки на палете. В этом случае можно предусмотреть специальные циклы обследования характерных поверхностей при помощи измерительных головок, загружаемых в шпиндель вместо инструмента из инструментального накопителя.

После автоматического выбора управляющей программы ЧПУ, находящейся резидентно в памяти устройства ЧПУ, следует удостовериться в том, что в инструментальном накопителе имеется инструментальный комплект необходимой номенклатуры и с приемлемой остаточной стойкостью. Один из вариантов решения задачи состоит в том, что система управления ГПМ располагает специальной базой данных инструментов. Эта база данных может состоять из двух разделов: инструментального каталога и массива данных реального набора инструментов ГПМ.

Инструментальный каталог содержит данные по всем инструментам, которые могут в принципе поступить в ГПМ через систему внешнего транспортирования инструмента. Это следующие данные: идентификатор инструмента, геометрические размеры, допуски на геометрические размеры, стойкость, максимально допустимая коррекция изнашивания. Инструмент, загружаемый в накопитель ГПМ, проходит предварительно входной контроль на специальном приборе аттестации инструментов. При этом данные инструментального каталога определяют допустимость работы инструмента ГПМ.

Массив данных реального набора инструментов ГПМ содержит для каждого инструмента такие позиции: внутренний идентификатор (формируется автоматически), реальные геометрические размеры, полную и остаточную стойкость, допустимую коррекцию. Указанный массив непрерывно обновляется и уточняется с помощью контрольно-измерительных средств самого ГПМ.

Подобный способ подготовки работоспособного комплекта инструментов применяют в тех случаях, когда существует прямой доступ к инструментальному накопителю через внешнюю транспортную систему. Существует и другое решение, когда с поступлением новой заготовки заменяется заранее укомплектованный инструментальный накопитель (магазин).

Продолжая рассмотрение переходов цикла (см. рисунок 1.36), обратимся к автоматической наладке, которая состоит в согласовании систем координат станка и детали, введении коррекций на спутник (палету), введении линейных и диаметральных коррекций на инструмент, выходе в исходное положение и т.д. Во всех этих действиях активную роль играют измерительные головки, позволяющие получить информацию о геометрических параметрах различных поверхностей. Измерительные головки предназначены в основном не для контроля линейных размеров (диаметра, длины и т.п.), а для определения координат проверяемой точки в системе координат станка. Для этих целей могут быть использованы так называемые нулевые головки, или иначе головки касания. Такие головки загружаются автоматически в шпиндель станка из инструментального накопителя, а измери-тельную информацию передают дистанционно и бесконтактно. Головки могут быть закреплены также на станине или палете.

В процессе автоматической работы по программе ЧПУ по мере необходимости осуществляется контроль точности обработки. Во многих случаях подобный контроль выполняется с помощью измерительных головок, загружаемых в шпиндель из инструментального накопителя. Если этого недостаточно, то ГПМ обеспечивают специальным автоматическим измерительным устройством или для контроля точности используют робот, оснащенный измерительными щупами.

Из всего сказанного следует, что гибкость поддерживается в ГПМ целым арсеналом специальных средств, которые обычным станкам с ЧПУ не свойственны. Это требует соответствующего расширения функций системы управления.

О терминальной задаче ГПМ можно говорить, имея в виду конкретную архитектуру его микролокальной сети управления. Особенность этой сети в том, что в ее состав входят разнородные устройства управления локальными объектами ГПМ (устройства ЧПУ станка и робота, программируемые контроллеры, микропроцессорные системы специального назначения), а также управляющая ЭВМ на основе персонального компьютера, которая, собственно, и несет в себе основные функции управления ГПМ. Принципиально управляющая ЭВМ может отсутствовать, а функции системы управления ГПМ в этом случае перераспределяются между локальными системами различного назначения. Однако вариант с управляющей ЭВМ предпочтителен, в особенности если ГПМ имеет расширенный состав оборудования, например, два станка и внутренний транспорт.

Электрическая несовместимость компонентов микролокальной сети преодолевается аппаратным способом путем организации специальных интерфейсов. Логическую несовместимость компонентов микролокальной сети преодолевают программно-математичес-ким способом путем поддержания специальной коммуникационной среды, обеспечивающей информационное взаимодействие устройств управления и управляющей ЭВМ.

Архитектура микролокальной сети повторяет в миниатюре архитектурные решения больших локальных сетей: связь персонального компьютера с системами управления через выделенные каналы типа «точка – точка», связь с помощью мультиплексора, смешанная связь с использованием разделяемых каналов типа «общая шина».

В терминальную задачу ГПМ, выполнение которой возложено на персональный компьютер, входят четыре базовые функции: интерфейс с устройствами, поддержание информационного обмена, обеспечение информацией оператора, выполнение директив оператора.

Назначение интерфейса состоит в том, чтобы обеспечить связь с не всегда совместимыми (аппаратно и логически) устройствами микролокальной сети.

Поддержание информационного обмена состоит в обработке всех данных, цирку-лирующих между локальными устройствами ГПМ. В рамках обмена устанавливаются и уничтожаются логические связи, поддерживающие протоколы передачи данных. Типичные для ГПМ информационными посылками являются управляющие программы ЧПУ (для станка, робота), таблицы коррекций инструмента, команды управления циклами, информация статусов, информация обратной связи о характере протекания рабочих процессов. Передача данных должна быть одновременно быстрой и надёжной. Следует различать информацию критичную и не критичную ко времени передачи. Так, критичны ко времени аварийные сигналы и сигналы синхронизации (их называют сообщениями реального времени). С другой стороны, файлы управляющих программ можно передавать с определённой задержкой (подобные сообщения условно называют передачей данных).

Основные функции системы обеспечения информацией оператора состоят в её визуализации. На дисплее должны быть отображены только необходимые сведения, причем наиболее важные должны немедленно привлечь внимание оператора (цветное, мерцающее изображение).

Система обработки и выполнения директив оператора служит для дистанционного управления локальными устройствами ГПМ. Необходима высокая скорость реакции на указания оператора во избежание как потери производительности, так и порчи деталей и оборудования.