Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы числового программного управления и программирование обработки. Учебное пособие
.pdf
11
партнерами, организация технической поддержки, простота работы и
эксплуатации систем, организация подготовки специалистов. Определяющим
фактором в выборе систем числового программного управления являются как
функциональные возможности самой системы, так и позиция производителя
систем ЧПУ на рынке. Анализ показывает, что большинство станкостроителей
одновременно ориентируется на несколько производителей систем ЧПУ.
В России наибольшее распространение в управлении станками нашли
следующие системы ЧПУ: FANUC, NC, SIEMENS, HEIDENHAIN. Применение
на станках других систем носит ограниченный характер, в основном это
системы производителей станков Mazak, Okuma, DMG MORI, WALTER, HAAS
и т.д.
2. Классификация систем ЧПУ
Системы ЧПУ классифицируются по следующим признакам:
1. По уровню технологических возможностей.
2. Видом следящего привода.
3. По количеству управляемых координат и одновременно управляемых
координат.
По уровню технологических возможностей принята следующая
классификация:
NC (ЧПУ) - числовое программное управление.
HNC - разновидность устройства ЧПУ с заданием программы оператором с
пульта с помощью клавиш, переключателей и т.д.
SNC - устройство ЧПУ, имеющее память для хранения всей управляющей
программы.
CNC - автономное управление станком с ЧПУ, содержащее мини-ЭВМ или
процессор.
DNC - групповое управление станками от общей ЭВМ. Станок с такой
системой может управлять (раздавать программы) несколькими станками.
В настоящее время используются только станки с системами управления
CNC и DNC, остальные системы управления устарели и из производства
выведены.
По виду следящего привода (по числу потоков информации) системы
ЧПУ бывают разомкнутые (без обратной связи) и замкнутые (с обратной
связью). Последние 30 лет производят только замкнутые системы.
По количеству управляемых перемещений различают системы двух-,
трёх-, четырёхкоординатные и т.д. (например, перемещения в направлении осей
координат X, Y и Z, повороты и т.д.). Простейшие системы ЧПУ управляют
двумя координатами. У токарного станка с ЧПУ есть две управляемые
координаты: поперечная - координата Х и продольная - координата Z. Такая
система ЧПУ называется двухкоординатной.
Одной из основных характеристик системы ЧПУ является число
одновременно управляемых координат (причем одновременные - это те,
которые перемещают одну режущую кромку). Существуют системы ЧПУ,
12
которые могут управлять одновременно пятью координатами станка. На таком
оборудовании можно обработать любую по сложности поверхность.
Часто в технической документации на станок указывается, что система
ЧПУ работает, например, в режиме 3+2. Это означает, что станок имеет 3+2=5
управляемых координат. При этом система ЧПУ этого станка способна
одновременно управлять любыми тремя координатами из пяти координат этого
станка. Если в технической документации указывается режим работы ЧПУ 5+1,
то это означает, что у станка управляются одновременно любые пять координат
из шести управляемых координат этого станка.
Следует отметить, что система ЧПУ может одновременно управлять и
меньшим количеством координат, чем то количество одновременно
управляемых координат, которое указано в технической документации на
станок. 4-и 5-координатные станки могут принадлежать как к токарной, так и к
фрезерным группам. Если в станке четыре и более одновременно управляемых
координат, то его можно отнести к обрабатывающим центрам.
3. Структура систем с ЧПУ
Разработчики современных систем числового программного управления
выделяют 5 основных архитектурных вариантов, которые существуют на
рынке. Первый вариант - это классические системы CNC (Computer Numerical
Control). Такие системы выпускаются фирмами с богатой традицией
производства высококачественной собственной микроэлектронной аппаратуры.
Однако эти фирмы под влиянием пользователей технологического
оборудования, желающих иметь гибкий интерфейс оператора, предлагают
модификацию PCNC-1 с персональным компьютером в качестве терминала
(второй вариант). Следующим шагом в развитии систем с ЧПУ стала
реализация двухкомпьютерного варианта PCNC-2 (третий вариант). Несколько
позднее появились системы PCNC-3, ядро которых реализовано на отдельной
плате, устанавливаемой в корпусе промышленного персонального компьютера
(четвертый вариант). С бурным развитием микропроцессорной техники и
повышением производительности микропроцессоров все большее
распространение получает компьютерный (пятый) вариант системы PCNC-4.
Системы типа CNC и PCNC-1
К этим типам относятся семейства, построенные по принципу
многопроцессорных CNC-систем: с ЧПУ-процессором, процессором
программируемого контроллера автоматики и графическим процессором.
Система оснащается пассивным терминалом или промышленным
компьютером.
В зависимости от требований устанавливается различное число
входов/выходов электроавтоматики. Вычислительная мощность систем
достаточно высока, и этим объясняется широкий набор их функциональных
возможностей. Так, предусмотрены сплайновый и полиномиальный (до пятого
13
порядка) алгоритмы интерполяции, пятикоординатная интерполяция, пятикоординатная коррекция инструмента, 3D-графика.
Системы типа PCNC-2
Представляют собой полный двухкомпьютерный вариант. Их структура это набор модулей терминального компьютера, ЧПУ-компьютера, панели
оператора и монитора, удаленных входов-выходов программируемого
контроллера, одной или нескольких групп цифровых (SERCOS) приводов
подачи и главного привода.
Система ЧПУ построена на основе двух высокопроизводительных
компьютеров: терминального и ЧПУ-компьютера и обладает исключительно
мощным набором функций. Каждый из компьютеров имеет свою
операционную систему. Связь операционных сред осуществляется с помощью
протоколов TCP/IP, что позволяет осуществлять удаленное администрирование
и работу нескольких терминалов с одним ЧПУ-компьютером.
В свою очередь, ЧПУ - компьютер обеспечивает многоканальную работу
более чем с одной управляющей программой. Прикладное программное
обеспечение терминального компьютера и ядра ЧПУ в ЧПУ-компьютере
окружено оболочкой из нескольких сот интерфейсных API-функций
(Application Interface), которые предоставляют пользователям возможность
разрабатывать собственные приложения и расширения. В оболочку
терминального компьютера включена мощная DLL-библиотека NCS (Numerical
Control System) классов объектов, делающая разработку дополнительных
приложений более простой и комфортной. Помимо этого, программно
реализованы контроллер электроавтоматики и цифровой осциллограф для
анализа динамики следящего привода.
Системы типа PCNC-3
Архитектура такой системы предполагает наличие 2-х компьютеров. В
отличие от предыдущего типа систем ЧПУ-компьютер выполнен в виде
отдельной платы РМАС (Programmable Multi-Axes Controller), устанавливаемой
на ISA или PCI шине терминального персонального компьютера.
Терминальный компьютер выполняет классические функции
терминальной задачи и функции интерпретатора управляющих программ.
Одноплатный ЧПУ-компьютер решает геометрическую и логическую
задачи, выполняя функции интерполятора, контроллера управления приводами,
программно реализованного контроллера электроавтоматики.
Интерполятор обеспечивает все виды интерполяции, алгоритмы разгона и
торможения, опережающий просмотр кадров look-аhead, циклическое
формирование управляющих воздействий. Контроллер приводов поддерживает
управление координатными осями по нескольким каналам. Помимо этого, он
принимает и обрабатывает сигналы обратной связи от датчиков положения,
замыкает позиционные контуры, выполняет функции ПИД-регулятора,
имитирует в цифровом виде сигналы обратной связи по скорости,
вырабатывает (в цифровом виде) широтно-импульсный сигнал для приводов
подачи и сигнал задания для привода главного движения.
14
Программно реализованный контроллер электроавтоматики
поддерживает параллельное управление циклами электроавтоматики. Сигналы
управления приводами и электроавтоматикой поступают в кольцевой
оптоволоконный канал для управления своими объектами.
Концепция такого типа систем ориентирована на построение собственных
систем ЧПУ. Конечному пользователю остается только разработка
терминальной задачи и интерпретатора в среде промышленного персонального
компьютера. Однако при этом следует отметить, что архитектура самих
модулей закрыта и недоступна для внесения каких-либо изменений.
Системы типа PCNC-4
Эта система является ярким примером однокомпьютерной архитектуры
PCNC. Отличительная особенность заключается в том, что все задачи
управления (геометрическая, логическая, терминальная) решены программным
путем, без какой-либо дополнительной аппаратной поддержки.
Внешний интерфейс системы строится на базе любой стандартной
периферийной шины, в частности на базе шины LightBus. Эта шина
представляет собой кольцевой канал для передачи сигналов управления
автономными следящими приводами, а также и для передачи сигналов
электроавтоматики. Доступ к объектам осуществляется с помощью
периферийных "терминалов" ввода/вывода.
Операционная среда представляет собой комбинацию Windows NT для
поддержания процессов машинного времени и системы TwinCat (Total Windows
Control and Automation Technology). Операционная система TwinCat,
интегрированная в Windows NT, добавляет ей функции реального времени, не
изменяя самой Windows NT.
Обмен данными и доступ к прикладным функциям API программных
модулей осуществляется через программную шину ADS (Automation Device
Specification). Система TwinCat служит центром системной конфигурации,
поддерживающим синхронное или асинхронное взаимодействие всех
процессов, а также и ввод/вывод сигналов управления. На прикладном уровне в
потоках управления работают программные модули ЧПУ и программируемые
контроллеры, имеющие клиентскую часть (для подготовки данных) и
серверную часть (для работы в реальном времени).
4. Характеристика задач ЧПУ
Функции устройства ЧПУ определяются через систему его необходимых
внешних воздействий: среда ←→ устройство ЧПУ ←→ станок. Отсюда
видно, что устройство ЧПУ выступает как управляющий элемент по
отношению к объекту (станку или иному техническому оборудованию). В то же
время устройство ЧПУ вместе со станком является объектом управления в
окружающей производственной среде. Все функции систем ЧПУ можно
разделить на 4 класса:
1. Геометрическая задача ЧПУ - управление формированием детали.
15
2. Логическая задача ЧПУ - управление дискретной автоматикой
станка.
3. Терминальная задача ЧПУ - задача взаимодействия с окружающей
производственной средой, проявляющаяся через диалог с оператором, и
информационный обмен с управляющей ЭВМ более высокого ранга.
4. Технологическая задача ЧПУ - управление рабочим процессом
станка.
Исторически геометрическая задача ЧПУ (ГЗ ЧПУ) возникла первой и у
первых устройств ЧПУ была по сути единственной. Сущность ГЗ ЧПУ состоит
в получении детали, соответствующей чертежу, путем соответствующего
управления приводами подачи станка. Это тот минимум возможностей,
который требуется от автоматизации действующего оборудования. Поскольку
ГЗ ЧПУ раньше упрощенно сводили к интерполяции, то устройства ЧПУ
первых поколений нередко называли интерполяторами.
Развитие логической задачи ЧПУ (ЛЗ ЧПУ) явилось следствием
автоматизации на станке большого числа многообразных вспомогательных
простых или циклических операций: зажимы-разжимы; подводы-отводы;
переключения; пуски-остановки; автоматическая смена инструмента и другие.
Именно обилие операций составляет специфику ЛЗ ЧПУ и проявляется в
большом количестве дискретных обменных сигналов между устройством ЧПУ
и объектом.
Терминальная задача ЧПУ (ТрЗ ЧПУ) поддерживается устройством ЧПУ
как персональным компьютером. Диалог с оператором охватывает управление
объектом и устройством ЧПУ в различных режимах операций управляющей
программы, некоторые действия системного характера. Информационный
обмен с ЭВМ более высокого уровня необходим в интегрированной
пространственно-распределенной системе управления, имеющей признаки
управляющей локальной вычислительной сети.
Технологическая задача ЧПУ (ТхЗ ЧПУ) присутствует лишь в тех
случаях, когда основной рабочий процесс сам становится объектом управления.
По факту технологическая задача - это адаптивное управление процессом
обработки.
4.1. Геометрическая задача ЧПУ
ГЗ ЧПУ формулируется следующим образом: отобразить геометрическую
информацию чертежа в совокупность таких формообразующих движений
станка, которые материализуют чертеж в конечном изделии. ГЗ ЧПУ
реализуется с помощью управляющей программы, состоящей из кадров.
Последовательная активизация кадров управляющей программы, то есть
последовательная обработка содержащейся в них информации, сопровождается
выдачей оперативных команд на исполнительные приводы станка, приводит к
последовательному обходу запрограммированного контура от одной опорной
точки к следующей. Во избежание приостановки подачи на стыке двух
16
элементарных участков, то есть в момент активизации очередного кадра, этот
очередной кадр должен быть подготовлен к оперативным расчетам и отработке.
Геометрическая задача состоит из трех крупных модулей: интерпретатора
управляющих программ, интерполятора, модуля управления следящими
приводами. Интерпретатор преобразует управляющую программу в команды
для интерполятора, который в свою очередь выдает информацию в силовой
блок управления приводами.
Покажем на рис. 1 структурную схему ЧПУ для решения ГЗ ЧПУ.
Кадры управляющей программы в коде ISO-7bit из устройства ввода
направляются в интерпретатор, который преобразует их в данные входного
формата интерполятора. В фазе интерпретации кадра система ЧПУ выполняет
эквидистантные расчеты и расчеты, связанные со стыковкой эквидистантных
контуров; осуществляет преобразование координатных систем (в абсолютную
или относительную системы) и преобразование систем измерения (в
миллиметры или дюймы); вызывает стандартные циклы и подпрограммы;
разделяет потоки данных геометрической, логической и других задач.
Наилучший вариант реализации интерпретатора состоит в его построении по
типу ISO-процессора, поскольку такое решение обеспечивает наибольшее
быстродействие и гибкость системы PCNC в отношении системы команд, т.е.
версии языка (кода) ISO-7bit.
Рис.1. Структурная схема ЧПУ
17
Интерпретация кадров управляющей программы построена на основе
конвейера и выполняется за семь шагов. На завершающей стадии данные
поступают в кольцевой буфер, позволяющий анализировать на совместимость
группу соседних кадров с эквидистантной коррекцией. Окончательный
результат интерпретации представлен в виде IPD-кода.
Содержательно последовательность шагов интерпретации состоит в
следующем.
Шаг 1. Перевод (конвертирование) кадра управляющей программы во
внутренний формат. В кадре выделяются G-функции (команды ISO-
процессора), перемещения (первый тип параметров), адреса (второй тип
параметров) и комментарии.
Шаг 2. Формирование активного G-вектора, размерность (число
координат) которого соответствует числу групп G-функций (команд) в рабочей
версии кода IS0-7bit. Всякая новая G-команда включается в ту координату Gвектора, которая соответствует номеру группы G-команды, и будет
существовать, пока ее не заменит другая модальная G-команда из той же
группы. Немодальные команды деактивируются в G-векторы после завершения
интерпретации кадра.
Шаг 3. Интерпретация кадра групповыми интерпретаторами (Dimension,
Plane, Delay и др.), которые привязаны к группам G-функций и соответственно
к координатам G-вектора. Вызов того или иного группового интерпретатора
определяет порядок выполнения интерпретации, который непосредственно
зависит от версии кода ISO-7bit.
Шаг 4. Назначение геометрических перемещений (при активной
эквидистантной коррекции) в объектах классов CLine, CCircle, CPoint.
Шаг 5. Эквидистантная коррекция, в процессе которой осуществляется
перерасчет траектории инструмента с учетом его размеров.
Шаг 6. Формирование кольцевого буфера кадров и «окна просмотра
траектории». Цель состоит в корректной стыковке соседних эквидистантных
контуров
Шаг 7. Генерация выходного IPD-кода активными командами G-вектора в
соответствии с текущими значениями параметров после обращения к ним
групповых интерпретаторов.
В результате интерпретации управляющей программы ЧПУ формируется
промежуточный IPD-код, представляющий собой универсальный бинарный
код, не зависящий от используемой платформы. IPD-код содержит траекторную
информацию об относительных перемещениях инструмента и детали, а также
информацию о вспомогательных М-командах.
Любой кадр управляющей программы в конце концов становится
буферным, а затем и рабочим. Информация рабочего кадра носит обобщенный
характер. Она укрупненно описывает ГЗ ЧПУ (то есть ту траекторию, которую
необходимо воспроизвести), но ничего не говорит о способах ее решения (то
есть о том, какими должны быть команды, оперативно выдаваемые на следящие
приводы подачи).
18
Вычислительная процедура устройства ЧПУ, обеспечивающая переход от
укрупненного описания заданного перемещения оперативным командам в
функции времени для исполнительных приводов, называется интерполяцией, а
устройство, это реализующее, называют интерполятором.
Интерполяторы бывают двух типов6 линейно-круговой и
функциональный. В системах ЧПУ применяют линейно-круговой
интерполятор, так как с помощью прямой и дуги окружности можно описать
любую поверхность. Функциональный интерполятор встречается в
специализированных станках, выполняющих только ограниченный круг задач,
например обработку сфер, желобов и т.д.
Интерполяция осуществляется над целыми числами, каждая единица
которых соответствует наименьшему перемещению или углу поворота
рабочего органа станка, контролируемого в процессе управления. Такое
соответствие понимают как дискретность перемещения.
Поскольку контроль перемещения на станке вдоль каждой координатной
оси выполняет датчик обратной связи по положению следящего привода
подачи, то и дискретность перемещения определяется ценой деления шкалы
этого датчика. В общем случае заданное перемещение на уровне рабочего кадра
представлено целым числом дискрет. Под дискретой понимается управляющая
команда, поступающая на вход следящего привода подачи. Следящий привод
подачи отрабатывает каждую дискрету соответственно ее цене, т.е. в виде
некоторого элементарного перемещения.
При линейной интерполяции, исходя из заданной скорости подачи,
несложно рассчитать число управляющих дискрет, которые необходимо
равномерно выдавать на приводы подачи X и Y. Однако с целью экономии
затрат вычислительный процесс интерполяции на практике строится на других
принципах.
Координату X, перемещение по которой часто называют ведущей,
управляющие дискреты формируют так, что они поступают в привод подачи X
равномерно. Выдача управляющих дискрет по ведомой координате Y
разрешена лишь в моменты времени, определяемые дискретами ведущей
координаты, что приводит обычно к некоторому запаздыванию по времени
дискрет ведомой координаты. Теоретически неизбежно некоторое отклонение
от заданной прямой линии, которое не превышает цены одной дискреты.
Преимуществом является то, что вычислительный цикл интерполяции
завершается одновременной выдачей управляющих команд для приводов
подачи всех координат.
На практике такая интерполяция осуществляется следующим образом. В
очередном вычислительном цикле, выполняемом с максимально высокой
скоростью в машинном масштабе времени, определяют, в какие приводы
подачи должны быть выданы дискреты на текущем этапе оперативного
управления. Результат сохраняют в буфере, который опрашивают с частотой,
соответствующей скорости подачи для ведущей координаты. Таким образом,
расчеты максимального масштаба привязывают к реальному времени, развитие
событий в котором определяется технологическими соображениями.
19
Выдачи дискрет при линейной интерполяции равномерны и вычисляются
достаточно просто. При круговой интерполяции частоты управляющих дискрет
неравномерны и их вычисление сложнее.
В целом интерполяционный процесс есть совокупность непрерывно
повторяющихся (до полной отработки всей интерполяции кадра)
вычислительных циклов, которые завершаются определением комбинации
управляющих дискрет, выдаваемых на приводы, или выдаваемых на приводы
пачек управляющих дискрет.
Заключительный этап решения ГЗ ЧПУ состоит в отработке
управляющих дискрет следящими приводами подачи в формообразующей
системе координат станка. В качестве примера рассмотрим отработку
управляющих координат с использованием следящего привода произвольного
типа, показанного на рис. 2.
Датчик обратной связи (по положению) передает прямую информацию о
перемещении исполнительного органа. Абсолютная заданная координата
исполнительного органа:
Х = Х*∆Х,
где Х - содержимое накопителя абсолютной координаты (заданной) в
безразмерных координатах; ΔХ - дискретность перемещения исполнительного
органа. Абсолютная фактическая координата
Х1=Х1*∆Х,
где Х1 - содержимое накопителя абсолютной координаты (фактической) в
безразмерных дискретах. Одна управляющая дискрета приведет к перемещению исполнительного органа на величину Δх. Действительно, если Х=1,
то Δ=К(1-Х1). Следящий привод придет в движение, и после перемещения
исполнительного органа на величину ΔХ датчик обратной связи по положению
сформирует сигнал Х1=1, рассогласование Δ станет нулевым, а следящий
привод остановится.
Анализируя структуру, можно установить отдельные фазы решения ГЗ
ЧПУ.
Ввод управляющей программы в память устройства ЧПУ с
программоносителя или по каналу связи с верхнего уровня. При размещении
управляющей программы в памяти неизбежны некоторые изменения исходного
текста, связанные с исключением пробелов, комментариев, непредусмотренных
символов, а также синтаксический и семантический контроль.
Активизация управляющей программы в автоматическом режиме и
вовлечение ее информации в процесс вычислений. Здесь важную роль играет
подготовка буферного кадра, поскольку исходные тексты управляющей
программы не содержат в явном виде всей информации, необходимой для
траекторных расчетов. Подготовка буферного кадра включает расчеты
эквидистант, преобразования координатных систем, определение данных,
используемых алгоритмами интерполяции.
Алгоритмы интерполяции обслуживают тот кадр управляющей
программы, который является в данный момент рабочим. Интерполяционные
вычислительные циклы воспроизводятся с высокой частотой, чтобы получить
20
информацию, необходимую для оперативного управления следящими
приводами подачи с целью движения по заданной траектории. Задача
интерполяции состоит в управлении каждым отдельным приводом подачи, а
также в согласовании приводов подачи между собой.
Рис. 2. Схема отработки управляющих дискрет следящим приводом
Сложность ГЗ ЧПУ определяется программным наполнением ее фаз:
уровнем начального контроля исходных текстов; степенью автоматизации
подготовительных траекторных расчетов; возможностями вмешательства
оператора в процесс автоматического управления; числом алгоритмов
интерполяции и богатством этих алгоритмов; числом управляемых координат;
возможностями настройки и коррекции следящих приводов.
4.2. Логическая задача ЧПУ
Выполнением основных операций обработки деталей по заданной
управляющей программе далеко не исчерпываются функции ЧПУ. На
современных станках автоматизированы многочисленные вспомогательные
операции, условно называемые операциями технологического обеспечения. К
числу вспомогательных операций относятся: управление автоматической
сменой инструмента; управление переключениями в приводах подачи,
связанными с ограничениями рабочей зоны; управление переключениями в
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]