евс лекции пдф

Лекция 1 Системы управления.

Системой программно управления называют совокупность специализированных устройств, методов и средств, необходимых для реализации функции управления движениями рабочих органов станка, промышленных роботов, другого технологического оборудования по заранее подготовленной программе.

Всистемах ЧПУ рабочие программы записываются на каком-либо программном носителе с последующим их считыванием и преобразованием системой в выходные сигналы, подаваемые на исполнительные устройства. ПЛК (PLC) – программный логический контроллер – специализированное устройство, используемое для автоматизации технологических процессов. Являются устройствами реального времени.

Вотличие от компьютера ПЛК имеют развитые устройства ввода-вывода сигналов датчика и исполнительного механизма.

ПЛК может обрабатывать дискретные и аналоговые сигналы, управлять шаговым двигателем, сервоприводом, преобразовывать частоты, осуществлять управление электроавтомата станка, управление подачей СОЖ, управление шпинделем станка. (Дискретный сигнал - информационный сигнал. Сигнал называется дискретным, если он может принимать, лишь конечное число значений. Дискретный сигнал - сигнал, имеющий конечное число значений. Обычно сигналы, передаваемые через дискретные каналы, имеют два или три значения. Использование сигналов с тремя значениями обеспечивает синхронизацию передачи. Аналоговый сигнал — сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений).

Система управления движением (motion control) – используется в автоматизированных процессах, в которых управление положением или скоростью исполнительных органов осуществляется при помощи гидра - и пневмоцилиндров, линейных и серводвигателей.

Часто используют в специализированных станках, где кинематика является достаточно простой: упаковочное оборудование, печатное оборудование, сборочный процесс.

Основными элементами системы являются:

1.Контроллер, который генерирует точки, по которым осуществляется перемещение и замыкает контур обратной связи по скорости или положению.

2.Привод или усилитель, преобразующий управляющий сигнал контроллера в силовой, который подается на двигатель.

3.Двигатель.

4.Датчики обратной связи.

5.Механические компоненты для преобразования движения двигателя в траекторию перемещения. Электронные коробки передач или электронные гитары.

Движения разделяются на главные и ведомые. Ведомые движения являются математически зависимыми от главного движения. Также ведомое движение может находиться в функциональной зависимости от главного.

6.ПЛК контроллер – промышленный контроллер автоматизации – многофункциональный контроллер позволяющий работать с цифровыми, аналоговыми и последовательно поступающими сигналами.

Работа с цифровыми сигналами позволяет получать данные с датчиков о состоянии системы и направлять управляющими сигналами со всеми типами оборудования.

7. Аналоговые сигналы – температурные, силовые и др. параметры процессов. PCNC – система ЧПУ на базе персонального компьютера.

Система управления, считывающая инструкции специализированного языка программирования и управляющая приводами станков и электроавтоматикой. Программа для оборудования с ЧПУ может быть загружена с внешних носителей либо введена непосредственно с пульта оператора.

Взаимодействие ЧПУ и станка.

ЧПУ содержит память для размещения управляющих программ и программного обеспечения, отвечающего за работу всех функций системы ЧПУ.

Система ЧПУ управляет приводами станка, далее через частотный преобразователь на двигатель подаются сигналы управления. Система ЧПУ при помощи датчика получает от станка фактические значения перемещений, из которых затем формируется текущее значения осей. Кроме того при помощи датчиков определяется и контролируется скорость вращения шпинделя.

Взаимодействие ПЛК и станка.

ПЛК при помощи входов-выходов посылает сигнал станку, которыми управляются двигатели системы защиты и т. д. Станок при помощи входов-выходов передает сигналы ПЛК, сформированными выключателями или упорами станка, сигналы также информируют о состоянии работы станка.

Взаимодействие системы ЧПУ и ПЛК.

Связаны при помощи канала обмена данных. Команды ЧПУ для ПЛК описываются в управляющих программах как вспомогательные функции. Преимущественно это касается отключения системы станка. От ПЛК к ЧПУ передается информация о состоянии работы станка и сигналы разрешения.

Виды систем управления.

1. Механические системы управления Программа обработки содержит механические способы задания. Есть распределительные валы. Так же широко

используются кулачковые копировальные системы управления. 2. Системы циклового управления.

Обрабатывают в цифровом виде только информацию о последовательности движений и режимах работы оборудования. Величины перемещений задаются настройкой упоров.

3.Числовые программные системы управления.

4.Адаптивные системы управления.

Возможна поднастройка параметров процесса обработки в изменяющихся условиях.

Система ЧПУ.

Систему ЧПУ можно разделить на несколько видов:

1.NC – со схемной реализацией алгоритмов работы.

2.CNC – с программной реализацией алгоритмов работы.

3.DNC – распределенная система управления.

NC. - Характеризуется жесткой структурой построения и ограниченной функциональной возможностями. CNC. - Алгоритмы функционирования записываются в постоянное запоминающее устройство, затем обрабатываются. Аппаратная часть устройства ЧПУ достаточно унифицирована для различных видов оборудования.

Возможности систем ЧПУ в значительной степени зависят от программного обеспечения.

DNC. - Для возможности управления станками в составе гибкого автоматизированного участка используется распределительная система управления.

Преимущество и проблемы использования станков с системой ЧПУ.

В состав системы входят два компьютера:

-терминальный - с операционной системой Windows

-компьютер ЧПУ с операционной системой реального времени.

В ЧПУ компьютера есть платы программируемого контроллера, платы приводов, плата поддержки коммуникационной интерференции с терминальным компьютером.

ЧПУ компьютер предполагает многоканальную работу более чем с одной управляющей программой. Прикладное математическое обеспечение позволяет конечным пользователям разрабатывать собственные приложения и расширения.

PCNC-3.

Относится к 2-х компьютерному варианту, но такому, при котором ЧПУ компьютер выполнен в виде отдельной платы, устанавливаемой на шине терминала персонального компьютера. Терминальный компьютер с Windows выполняет функции терминальной задачи и функции интерпретатора управляющих программ.

Одноплатный компьютер ЧПУ решает геометрическую и логическую задачу, выполняя функции интерполятора, контроллера управления приводами и программно реализованного контроллера электроавтоматики.

PCNC-4.

Однокомпьютерная система ЧПУ, в рамках которой все задачи управления решены чисто программным путем без дополнительной аппаратной поддержки. На одном компьютере сосуществуют операционные системы реального времени или расширения реального времени.

Соответствующие задачи решаются либо в той, либо в другой системе.

Реальное время в системах управления.

Системы ЧПУ располагают модулями, работающими в машинном масштабе времени, и модулями, работающими в реальном времени.

Все прикладные модули взаимодействуют между собой и нуждаются в диспетчеризации.

Операционная система реального времени представлена в том смысле, что время затрачивается на определенную работу не должно превышать заранее установленного ограничения.

Время на прерывание – своевременная реакция на внешнее событие – 2-8 мксек.

Время переключения контекста – передача управления от процесса к процессу и от потока к потоку находящемуся в пределах 80 – 160 мксек.

Время реакции планировщика представляет собой задержку активизации процесса после отработки прерывания находится в пределах 4 – 16 мкс.

Всвоей работе ОС использует набор традиционных механизмов:

1.Механизм приоритетов и диспетчеризации обеспечивает планирование задач РВ на основе использования некоторого кванта времени.

2.Механизм межзадачного взаимодействия синхронизирует процессы и передачу данных между ними с использованием семафоров, мютексов, сигналов событий и разделяемой памяти.

3.Механизм работы с таймерами генерирует прерывание по истечении некоторого настраиваемого

интервала времени.

Процесс – выполнение инструкций программы на процессоре ПК.

Компьютерная программа – пассивный набор данных. Процесс это непосредственное выполнение этих инструкций, команд.

Создание процесса:

1.Запуск ОС;

2.При появлении запроса на создание процесса (запуск какой-либо программы).

Многопоточность. - Процесс может состоять из нескольких потоков, которые выполняются параллельно без предписанного порядка во времени. Выполнение некоторых задач приводит к более эффективному использованию ресурсов ПК. Потоки выполняются в одном адресном пространстве процесса.

Механизмы межзадачного взаимодействия.

Мютекс – одноместный семафор. Служит для синхронизации одновременно выполняемых потоков.

Задачи мютекса – защита объекта от доступа к нему других потоков отличных от того, который в настоящий момент его использует; если другому потоку нужен доступ к мютексу, то он останавливается до тех пор пока мютекс не будет освобожден.

Семафор – объект служащий для синхронизации потоков выполнения при обращении к разделяемому ресурсу в многопоточном приложении. Позволяет войти в заданный участок кода не более чем n-потоками.

Решает проблемы:

1.Запрет одновременного выполнения заданных участков кода;

2.Поочередный доступ к важному ресурсу.

Использование в системах управления ОС Windows.

Windows не является ОСРВ поскольку она не имеет достаточного диапазона приоритетов потоков, не позволяет управлять наследованием приоритетов. Механизм синхронизаций потоков и время реакции на прерывание непредсказуемы.

Первый подход состоит в запуске windows в виде низкоприоритетной задачи ОСРВ. При этом предполагается применение ядра какой-либо ОСРВ.

Второй подход заключается в расширении windows. Это может быть оригинальная разработка изготовителей системы управления или использования готового коммерческого продукта. Является наиболее перспективными, потому что: в расширении используются те же типы объектов для управления задачами как и в windows; нет необходимости во второй ОС, что снижает расходы и снимает проблемы установки и стыковки обеих ОС на одном ПК.

Стратегия диспетчеризации на базе расширения РВ.

Для выполнения конкретной задачи выделяется квант времени. По истечении каждого кванта времени планировщик просматривает очередь активных задач и принимает решение какой из них передать управление.

Понятие о мягком и жестком времени.

Для реализации различных задач используются различные «времена». Это позволяет оптимизировать вычислительные ресурсы системы управления, разделив ее функциональные задачи на 3 группы:

1.В режиме жесткого РВ решаются критические задачи – интерполяция кадров управляющей программы, ввод/вывод данных и т.д.

2.В режиме мягкого РВ решаются задачи, для которых допустимы задержки потоков из-за подкачек, обращений к жесткому диску, прерываний и т.п.

3.В режиме машинного времени работают остальные стандартные прикладные модули СУ (редактор УП, встроенная CAM система, система моделирования процесса обработки и т.д.).

Подсистема РВ работает на уровне ядра windows, обеспечивает основные функции и управление ресурсами. Встроенный менеджер потоков и планировщик, основанный на системе приоритетов, управляет прикладными задачами.

Первоначально windows с подсистемой РВ создается таймер, по истечении кванта времени генерируется прерывание, которое обрабатывается прикладной call-back функцией. Функция реализует алгоритм планирования, интерпретации, интерполяции, ввода/вывода коммуникации и интерфейса оператора (HMI).

В соответствии с обозначенными для СУ режимами времени в жестком РВ работают задачи диспетчеризации, интерполяции, ввода/вывода и коммуникации. В мягком РВ работает задача интерпретации и обновления экранов интерфейса с оператором. В фоновом процессе задача интерфейса с оператором.

Лекция 2 Структура систем ЧПУ и задачи системы управления.

Структура системы ЧПУ представляет собой совокупность модулей закрепленных за задачами управления. Модуль располагает собственной алгоритмической структурой, структурой данных и интерфейсной оболочкой. Взаимодействие модулей осуществляется посредством программной магистрали, которая

поддерживает коммуникационные протоколы и предоставляет модулям информационные услуги. Модули могут предоставлять данные, запрашивать данные. Управлять состояниями других модулей. Запросы могут быть синхронными, асинхронными или по событию. Выбор механизма запроса зависит от конкретной задачи.

При синхронном запросе модуль останавливается в точке запроса и ждет ответ от сервера.

При асинхронном запросе модуль продолжает свою работу, а обработка ответа независимо от времени его получения выполняется специальной call-back функцией.

Запрос по событию означает, что ответ будет получен только после изменения данных.

Режимы формообразования на станках с ЧПУ.

Режим позиционирования.

Определяется автоматическим установочным перемещением рабочего органа станка в заданную управляемой программой точку, находящуюся в зоне обработки. Затем в установленной позиции выполняется необходимый технологический цикл.

Для реализации позиционного режима необходимо сочетание ускоренного перемещения с последующей высокоточной установкой рабочего органа станка в заданном

координатном положении.

Режим прямоугольного контурного формообразования.

Применяют в станках, на которых обработка производится лишь при движении по одной координате, а обрабатываемая поверхность параллельна направляющим соответствующей координатной оси.

Дополнительно к программированию координаты конечной точки перемещения необходимо задавать скорость подачи, в соответствии с требуемыми режимами

обработки.

Криволинейное контурное формообразование.

Криволинейное контурное формообразование используется в станках при обработке детали сложной формы за счет одновременных согласованных движений по нескольким управляемым координатным осям. Программу движений подачи по каждой оси система ЧПУ формирует автоматически исходя из заданной конфигурации детали результирующей рабочей подачи зависящей от режимов резания. Рассогласование регулировочных характеристик следящих приводов подачи по каждой координатной оси приводит к погрешности формы и размеров детали.

Виды интерполяции.Линейная интерполяция.

При линейной интерполяции функциональная взаимосвязь законов движения исполнительных органов по каждой из координатных осей имеет линейный вид.

1.Круговая интерполяция.

Результирующее перемещение выполняется по дуге окружности и выполняется квадратичная зависимость.

Разновидностью контурного формообразования являются синхронные или синфазные методы формообразования. В этом случае система программного управления должна задавать определенные соотношения скоростей, времени, инструмента и движения заготовки по одной или нескольким координатным осям станка. Процесс формообразования обеспечивается непрерывно благодаря определенной конфигурации режущего инструмента.

2.Винтовая интерполяция.

При нарезании резьбы необходимо обеспечить определенное соотношение скоростей движения по координатным осям и сохранить заданное рассогласование положений в механизмах вращения и осевого перемещения инструмента.

3.Сплайновая интерполяция.

Задача сплайновой интерполяции состоит из двух частей:

1.Расчет коэффициентов сплайна.

2.Расчет значений функции сплайна в отдельных его точках.

Расчет коэффициентов сплайна выполняется CAM-системой, а расчет значений функций сплайна выполняется по алгоритму интерполяции системы ЧПУ.

А- сплайны.

Проходят точно через все заданные точки. Максимально возможное количество точек зависит от вычислительной мощности системы ЧПУ. При использовании А-сплайнов следует учитывать, что резкое изменение кривизны не позволяет построить непрерывную кривую с хорошей степенью аппроксимации. Целесообразно использовать в тех случаях, когда координаты заданных точек получены в результате измерения на координатно-измерительной машине (КИМ). Точность сплайна зависит от числа заданных точек.

В-сплайн.

Кривая только прилегает к этим точкам, а не проходит напрямую через них.

С-сплайн.

Кубический сплайн – непрерывная кривая, проходящая через заданные точки, которые расположены вдоль аналитически вычисляемой кривой. В основе построения кубического сплайна лежит идея разбиения интерполируемого контура на небольшие интервалы для каждого из которых задают свой полином 3-ей степени. Коэффициенты полинома подбирают таким образом, что бы на границах интервалов сохранялась непрерывность функции, а так же значение ее первой и второй производной. Для А и С сплайнов можно задавать дополнительные параметры, влияющие на характер прохождения сплайнов через первую и последнюю точки.

NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline)

Неоднородный рациональный B-сплайн, NURBS( Non-uniform rational B-spline) — математическая форма,

применяемая в компьютерной графике для генерации и представления кривых и поверхностей. Как следует из названия, является частным случаем В-сплайнов, причём, широко распространённым из-за своей стандартизованности и относительной простоты.

Это неравномерные рациональные В-сплайны. Неравномерность означает различную степень влияния управляющей точки на форму кривой. Рациональность означает, что математическое выражение, описывающее интерполируемую кривую является отношение 2-х полиномов.

Широкое применение NURBS связано с тем, что позволяет осуществлять тонкую настройку сплайна к траектории любой сложности. Вводится дополнительный параметр – вес управляющей точки. По умолчанию вес каждой управляющей точки равен 1, что означает одинаковое влияние всех точек на форму кривой. Увеличение веса отдельной точки даст ей возможность усиления влияния, что создает эффект критической кривой к этой точке.

При пропорциональном изменении веса всех управляющих точек форма кривой сохранится.

Преимущества сплайновой интерполяции.

1.Один типичный NURBS может заменить от 5 до 10 кадров с линейной интерполяцией. Уменьшение числа кадров снижает риск простановки интерполяции из-за истечения очереди подготовленных кадров.

2.Сокращение объема файла управляющей программы и повышение равномерности подачи за счет сокращения разгонов и торможений.

3.Гладкость обрабатываемого контура при сплайновой интерполяции позволяет повысить контурную скорость без потери качества обработки. Более высокая контурная скорость и сокращенная траектория движения уменьшают время обработки и увеличивают общую производительность.

Контурная скорость при сплайновой интерполяции на 20 – 50% больше скорости при линейной интерполяции.

Задачи управления.

1.Геометрическая - сведена с процессами формообразования на станках.

2.Технологическая – определяет методы и характеристики процесса обработки.

3.Логическая – задачи электроавтоматики станка.

4.Диагностическая – методы и процедуры сбора данных для определения текущего состояния управляемых объектов и процессов, а так же самой системы управления.

5.Адаптивная – позволяет оперативно перенастраивать программируемые рабочие параметры с целью достижения определенного критерия качества при заданных ограничениях.

6.Терминальная – определяет содержание взаимосвязи конечных пользователей с компьютерной системой в различных режимах работы.

7.Сетевая – регламентирует протоколы информационного обмена между различными устройствами системы.

Геометрическая задача управления.

Состоит из 3-х крупных задач:

-интерпретатор

-интерполятор

-модуль управления следящими приводами

Интерпретатор.

Он транслирует кадры управления программы в коды ISO-7bit с целью предоставления данных во входном формате интерполятора.

1.Перевод кадра управляемой программы во внутренний формат в кадре, выделяются G-функции перемещения и комментарии.

2.Формирование активного G-вектора, размерность которого соответствует числу групп G-функции в рабочей версии кода.

3.Интерпретация кадров групповыми интерпретаторами, которые привязаны к группам G-функции и соответственно координатам G-вектора.

4.Выделение геометрических перемещений.

5.Эквидистантная коррекция, в процессе которой осуществляется перерасчет траектории инструмента с учетом

его размеров.

6.Формирование кольцевого буфера кадров и окна просмотра траектории для корректной стыковки соседних эквидистантных контуров.

7.Генерация выходного IPD кода активными командами G-вектора в соответствии с текущими значениями параметров после обращения к ним групповых интерпретаторов.

Интерполятор.

Лекция 3 Схема работы интерполятора.

Кадры УП поступают на вход транслятора в IPD-формате. Преобразуются во внутренний формат интерполятора, обрабатываются в блоке опережающего просмотра Look Ahead. Транслятор формирует сообщения, в которых находятся параметры интерполяции, сообщения адресуются к определенным блокам интерполятора и могут быть главными и дополнительными. Главные сообщения содержат данные необходимые адресуемым блокам, а дополнительные содержат данные о перемещениях вдоль координатных осей. Назначение блока Look Ahead состоит в определении условного времени, отработки кадра в циклах интерполятора для последующей коррекции контурной скорости, в анализе в каждом кадре базовых параметров движения. В результате своей работы блок Look

Ahead определяет скорость в конце кадра и новое значения контурной скорости подачи.

Блок сумматор формирует суммарное приращение пути из отдельных составляющих и выдает их на приводы подачи. Также сумматоры накапливают абсолютные значения координат, и хранит их в течение всего времени работы.

Терминальная задача управления.

Основные задачи:

-диалог оператора в Windows интерфейсе

-редактор управляющих программ

-редактор-отладчик управляющих программ на языке высокого уровня

1.Диалог оператора:

-получение текущей информации о процессе управления,

-тестирование системы и объекта,

-редактирование и моделирование управляющей программы,

-ручной или автоматический ввод данных,

-управление наладочными операциями.

2. Редактор управляющих программ.

Предъявляются стандартные требования характерные для текстового редактора, специфические требования:

-синтаксический и семантический контроль

-диалоговый ввод кадров и параметров стандартных циклов

-перенумерация кадров после удаления или добавления кадров

3.Отладка программ:

-использования точек останова

-моделирование оставшейся части программы по отношению к текущей позиции станка

-пространственное моделирование траектории инструмента

Диагностическая задача.

Диагностика выполняется вне реального времени, т. е. измерения сохраняются в памяти, затем анализируются. Можно:

-конфигурировать измерения,

-считывать измеряемые сигналы,

-распечатывать осциллограммы измерений,

-считывать файлы и с результатами измерений и результатами конфигураций измерений,

-выполнять разнообразные операции над измеренными сигналами.

Логическая задача.

Лекция 4.

Анализатор IPD кода. Читает IPD данные приходящие из интерполятора, преобразует эти данные во внутренний формат виртуального контроллера.

Модуль синхронизации поддерживает механизм назначения квантов времени, который генерирует синхросигналы для всех процессов контроллера.

Исполняемые модули служат для обработки команд поступающих в виртуальный контроллер.

Шлюз – предназначен для отображения информации, передаваемой на устройство электроавтоматики или на разделяемую память (shared memory - применяют для того, чтобы увеличить скорость прохождения данных между процессами. В обычной ситуации обмен информацией между процессами проходит через ядро. Техника разделяемой памяти позволяет осуществить обмен информацией не через ядро, а используя некоторую часть виртуального адресного пространства, куда помещаются и откуда считываются данные.После создания разделяемого сегмента памяти любой из пользовательских процессов может подсоединить его к своему собственному виртуальному пространству и работать с ним, как с обычным сегментом памяти. Недостатком такого обмена информацией является отсутствие, каких бы то ни было средств синхронизации, однако для преодоления этого недостатка можно использовать технику семафоров).

Shared memory – используется для обмена информацией между системой ЧПУ и контроллером. Допускается параллельное выполнение нескольких М-команд. Механизм назначения квантов времени обеспечивает синхронное выполнение команд. После отработки внутреннего алгоритма контроллер передает интерполятору информацию о своем состоянии.