МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДКРАЦИИ

О.А. ГОТШАЛЬК

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ

Конспект лекций

Санкт-Петербург

1998

2

Утверждено редакционно-издательским советом института

УДК 621. 9. 06 - 529 (07).

О.А. Готшальк. Системы автоматизации и управления. Конспект лекций. -С-

Пб. : СЗПИ, 1998, 35 с.

Конспект лекций включает материал, который читается в соответствии с ра- бочими учебными планами по специальностям:

120100 по дисциплине “Аппаратные и программные средства систем управления”, 120500 и 120800 по дисциплине “Управление техническими системами”, 210200 по дисциплине “Системы автоматизации и управления” ч.1.

В конспекте лекций помещены теоретические основы числового программно- го управления технологическим оборудованием на базе микропроцессорной техни- ки. В конспекте лекций изложены вопросы общих принципов построения, структу- ры, методов линейной и круговой интерполяции, а также правил кодирования ис- ходной информации в коде ИСО-7 бит.

Рецензенты: кафедра автоматики и телемеханики ИТМО, В.О. Никифоров, к. т. н., доцент; кафедра автоматизации производственных процессов СЗПИ.

Автор: Готшальк Олег Алексеевич, к. т. н., доцент.

С

Северо - Западный заочный политехнический институт, 1998.

3

1. ПРИНЦИПЫ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Под управлением металлорежущими станками будем понимать перемещение заготовки относительно режущего инструмента или движение режущего инстру-

мента относительно заготовки по заранее рассчитанной траектории при заданной скорости движения режущего инструмента и точности обработки.

Такое управление производится специальным устройством без участия чело- века, но по заранее составленной им программе, и называется программным управ-

лением.

Программное управление станками прошло в своем развитии несколько эта-

пов.

Этап первый (рис. 1).

На рисунке 1 сделаны следующие обозначения: подвижный стол 1, шаблон 2, механические тяги со щупом 3, заготовка 4, режущий инструмент 5, силовой привод 6, привод подач 7. При перемещении стола приводом подач слева направо щуп пе- ремещается по поверхности шаблона. Перемещение щупа повторяет режущий инст- румент, что приводит к образованию формы детали подобной форме шаблона. Осо- бенность рассматриваемого принципа программного управления: возможность об-

работки объемных поверхностей и задание управляющей программы в виде шабло- на.

Достоинства: повышенная точность обработки и производительность труда. Недостатки : сложность создания управляющей программы и наличие меха-

нических соединений.

Этап второй (рис. 2).

На рисунке 2 сделаны следующие обозначения: датчик положения 3, выраба- тывающий электрический сигнал пропорциональный величине перемещения щупа, (цифры 1, 2, 4, 5, 6, 7 смотри на рисунке 1), электропривод 8 обеспечивает переме-

щение режущего инструмента в соответствии с величиной электрического сигнала датчика положения, рейка с зубчатым колесом 9, преобразующая вместе с электро-

приводом электрический сигнал в вертикальное перемещение режущего инструмен- та.

Особенность рассматриваемого принципа программного управления: замена механических соединений электроприводом .

Достоинства: повышение точности обработки при снижении затрат на изготовление станка. Недостатки: сложность создания управляющей программы.

Этап третий (рис. 3).

На рисунке 3 сделаны следующие обозначения: ленточный магнитофон 2 с записью электрического сигнала аналогичного электрическому сигналу датчика по- ложения, (цифры 1, 4, 5, 6, 7, 8, 9 смотри на рисунке 2 ).Особенность рассматри- ваемого принципа программного управления: для создания управляющей програм- мы необходимо иметь специальное оборудование, позволяющее записать на маг- нитную ленту магнитофона сигнал на перемещение режущего инструмента.

4

Достоинства: нет необходимости изготавливать шаблон и отсутствие механических соединений.

Недостатки: наличие магнитной ленты приводит к низкой точности работы станка (разрывы и растяжения ленты).

Этап четвертый (рис. 4 ).

На рисунке 4 сделаны следующие обозначения: устройство программного управления 2 в виде специализированной вычислительной машины дискретного действия, электропривод подач 3 для перемещения заготовки по оси У, электро-

привод подач 4 для перемещения заготовки по оси Х, заготовка 5, силовой привод

6.

Особенность рассматриваемого принципа программного управления: про- грамма управления задается на перфоленте в виде чисел; в программе задаются ко- ординаты начальных и конечных точек участков детали с определенными характе- рами обработки; устройство программного управления получив из управляю щей программы координаты опорных точек и характер траектории между этими точка- ми само вырабатывает промежуточные координаты, преобразует их в электриче- ский сигнал и выводит его на приводы подач.

Достоинства: простота задания управляющей программы, высокая точность обработки, быстрый переход от одной управляющей программы к другой.

Недостатки: сложность устройства управления, необходимость высокой ква- лификации обслуживающего персонала.

2. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ УСТРОЙСТВ ЧПУ

Систе- мы числового программного управления (СЧПУ) - это совокупность функцио-

нально взаимосвязанных технических и программных средств, предназначенных для управления станками в автоматическом режиме. К техническим средствам от- носятся станок, устройства подготовки управляющих программ, устройства управ- ления станком, устройства размерной настройки режущего инструмента и т.д. К программным средствам относятся инструкции, методики, техническое и функцио- нальное программирование и т.д.

Программа управления - это группа команд, составленных на языке данной

системы управления и предназначенных для управления станком в автоматическом режиме.

Числовое программное управление базируется на программе, в которой ко- манды выражены в виде чисел.

Устройство числового программного управления (УЧПУ) - это часть системы числового программного управления, управляющее работой станка по командам, поступающим из управляющей программы.

УЧПУ выполняют две основные функции :

1.формирование траектории движения режущего инструмента;

2.управление автоматикой станка.

Внастоящее время в промышленности используются два вида устройств

ЧПУ.

5

1. УЧПУ четвертого поколения типа NC (Numerical Control - цифровое управление).

УЧПУ типа NC состоят из блоков, каждый из которых решает лишь одну кон- кретную задачу общей программы управления. Логика работы этих блоков реализу- ется за счет соответствующего построения их электрических схем.

. На рисунке 5 представлена обобщенная структурная схема УЧПУ типа NC. На этом рисунке сделаны следующие обозначения:

УП - управляющая программа, поступающая с перфоленты; УВИ - устройство ввода информации; преобразует команды, заданные на перфолен-

те в виде отверстий, в электрические сигналы; контролирует вводимую информа- цию на предмет наличия помех и соблюдение правил программирования; БП - буферная память для временного хранения введенной информации одного кад- ра управляющей программы;

И - интерполятор, формирующий траекторию движения режущего инструмента; БЗС - блок задания скорости перемещения режущего инструмента; БИ - блок индикации работы УЧПУ;

БР - блок реле для формирования команд управления автоматикой станка; ПП - приводы подач станка; УАС - устройства автоматики станка.

После того как составленная управляющая программа нанесена на перфолен- ту, а перфолента установлена в устройство ввода информации (УВИ), происходит считывание программы, проверка ее на предмет наличия помех и нарушений пра- вил программирования. После этого информация в объеме одного кадра программы

в соответствии с заданными в программе адресами заносится в буферную память (БП). После отработки предыдущего кадра программы информация из буферной памяти поступает в различные блоки УЧПУ в соответствии с заданными адресами: геометрическая информация на перемещение режущего инструмента в интерполя- тор (И), информация о скорости движения режущего инструмента в блок задания скорости (БЗС), а технологические команды в блок реле (БР). Интерполятор посы- лает сигналы на приводы подач (ПП), которые обеспечивают перемещение режуще- го инструмента по заданной в программе траектории. Одновременно на блок реле (БР) подаются команды, обеспечивающие включение или выключение тех или иных

устройств автоматики станка (УАС).

2. УЧПУ пятого поколения типа CNC (Computer Numerical Control - компь-

ютерное цифровое управление).

УЧПУ типа CNC базируются на работе мини ЭВМ, в которой логика работы задается программным методом. Одно и то же УЧПУ с мини ЭВМ может реализо-

вывать различные функции управления за счет изменения программы управления работой мини ЭВМ.

Обобщенная структурная схема УЧПУ типа CNC представлена на рисунке 6. На этом рисунке сделаны следующие обозначения:

ПО - пульт оператора, позволяющий вводить управляющую программу и задавать режимы работы;

6

Д - дисплей для визуального контроля режимов работы и редактирования введен- ных управляющих программ; мини ЭВМ - устройство, решающее задачи формирования траектории движения

режущего инструмента, технологических команд управления устройствами автома- тики станка, общим управлением УЧПУ, редактирования управляющих программ, диагностики УЧПУ и вспомогательных расчетов (траектории движения режущего инструмента, режимов резания); ПЗУ - постоянное запоминающее устройство для хранения системных программ и

констант; информация из ПЗУ может только считываться; заносится информация в ПЗУ на заводе изготовителе; ОЗУ - оперативное запоминающее устройство для временного хранения управляю-

щих программы и системных программ, используемых УЧПУ в данный момент.

После того как технолог составил управляющую программу оператор вводит ее в УЧПУ посредством клавиатуры пульта оператора (ПО). Команды управляющей программы записываются в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). После ввода управляющей программы оператор может отредактировать ее, включив в ра- боту системную программу редактора и выводя на дисплей (Д) всю или нужные части управляющей программы и внося в них требуемые изменения. При работе УЧПУ в режиме изготовления детали управляющая программа кадр за кадром счи-

тывается из оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и поступает в мини ЭВМ. В соответствии с командами управляющей программы мини ЭВМ вызывает из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) соответствующие

системные программы, которые заставляют работать мини ЭВМ в требуемом режи- ме. Результаты работы мини ЭВМ в виде электрических сигналов поступают либо на приводы подач (ПП), либо на устройства управления автоматикой станка (УАС).

3. СТРУКТУРА ПРИВОДА ПОДАЧ

В настоящее время в станках с программным управлением используются два вида приводов подач.

1. Разомкнутый привод подач (шаговый). В основу работы такого привода положен шаговый электрический двигатель, который обеспечивает надежное и ста-

бильное перемещение режущего инструмента на строго определенную величину по пришествии из УЧПУ на шаговый двигатель одного электрического импульса. Этим объясняется отсутствие в приводе контроля за текущим действительным положени- ем режущего инструмента (отрицательной обратной связи по положению).

Обобщенная структурная схема разомкнутого привода подач представлена на рисунке 7. На этом рисунке сделаны следующие обозначения:

УЧПУ - устройство числового программного управления; СУ - схема управления шаговым двигателем;

УМ - усилитель электрической мощности сигнала , поступающего на вход шагового двигателя; ШД - шаговый двигатель, у которого вал ротора поворачивается на строго опреде-

ленный угол по пришествии на вход двигателя одного электрического импульса;

7

СЗ - следящий золотник, обеспечивающий подачу на гидродвигатель жидкости под давлением; НС - насосная станция, обеспечивающая гидродвигатель жидкостью под давлением;

ГД - гидродвигатель для силового перемещения объекта управления станка (суп- порта, подвижного стола); ОУ - объект управления станка.

В результате расчета очередной координаты режущего инструмента УЧПУ посылает в схему управления (СУ) электрический импульс для перемещения объек- та управления станка (режущего инструмента) на строго определенную величину. После сформирования в схеме управления (СУ) команды управления и усиления ее по мощности в усилителе мощности (УМ) последняя подается на шаговый двига- тель (ШД). В результате этого ротор шагового двигателя поворачивается на строго определенный угол, открывая следящий золотник (СЗ). Жидкость под давлением из насосной станции (НС) через следящий золотник (СЗ) поступает в гидродвигатель (ГД), в результате чего объект управления (ОУ) начинает перемещаться одновре- менно постепенно закрывая следящий золотник (СЗ). Переместившись на заданную величину объект управления (ОУ) полностью закроет следящий золотник (СЗ) и привод прекращает перемещение объекта управления (ОУ).

Фиксированная величина перемещения объекта управления станка (режущего инструмента) в результате поступления на привод подач с УЧПУ одного электриче- ского импульса называется дискретой.

Количество дискрет характеризует величину перемещения, а количество дис- крет в единицу времени, пришедших на привод подач, характеризует скорость пе- ремещения объекта управления.

2. Замкнутый привод подач (следящий). Основу замкнутого привода подач составляет двигатель постоянного тока с широким диапазоном регулирования час- тоты вращения вала ротора под нагрузкой. В данном приводе имеется устройство,

позволяющее постоянно контролировать текущее положение объекта управления и сравнивать это положение с заданным устройством ЧПУ.

Обобщенная структурная схема представлена на рисунке 8. На этом рисунке сделаны следующие обозначения:

УЧПУ - устройство числового программного управления; СС - схема сравнения заданного перемещения режущего инструмента и действи- тельного;

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь, преобразующий сигнал схемы сравне- ния выраженный в дискретной форме в сигнал в виде напряжения, амплитуда кото- рого пропорциональна цифровому значению сигнала схемы сравнения; УМ - усилитель электрической мощности; ИД - исполнительный двигатель постоянного тока;

Р - редуктор для понижения частоты вращения вала ротора исполнительного двига- теля и преобразования вращения ротора исполнительного двигателя в линейное пе- ремещение объекта управления; ОУ - объект управления;

ДОС -датчик обратной связи для преобразования линейных перемещений объекта управления в пропорциональный электрический сигнал.

8

Если на привод подач с УЧПУ поступает унитарный код (последовательность электрических импульсов, каждый импульс которой характеризует перемещение объекта управления на одну дискрету), то в качестве датчика обратной связи ис- пользуется вращающийся трансформатор в импульсном режиме, а в качестве схемы сравнения реверсивный счетчик. Импульсы поступающие с УЧПУ на счетчике сум- мируются, а импульсы, поступающие с датчика обратной связи в счетчике вычита- ются из импульсов поступивших из УЧПУ.

Если на привод подач с УЧПУ поступает сигнал в виде числовой комбинации (числа, характеризующего величину перемещения), то в качестве датчика обратной связи используется кодовый датчик, а в качестве схемы сравнения используется сумматор, позволяющий производить операцию вычитания кодовой комбинации, поступившей с датчика обратной связи, из кодовой комбинации, записанной ранее в сумматор устройством ЧПУ.

Как и в случае разомкнутого привода подач в замкнутом приводе подач спра- ведливо понятие дискреты.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И НАЗНАЧЕНИЕ ИНТЕРПОЛЯТОРА

Интерполятором называется устройство, формирующее траекторию движе- ния режущего инструмента по заданному закону (с заданными скоростью и точно- стью) между двумя опорными точками контура детали, координаты которых указа- ны в управляющей программе. Часто под интерполятором подразумевают мини ЭВМ, работающую по определенной программе.

Опорные точки характеризуют начало и конец траектории, по которой пере- мещается режущий инструмент, обрабатывая один элемент контура заготовки дета- ли с определенным характером траектории.

В подавляющем большинстве случаев в настоящее время используются ли- нейные и круговые интерполяторы. Линейные интерполяторы обеспечивают фор- мирование траектории в виде прямой линии. Круговые интерполяторы формируют траекторию в виде окружности или ее части (дуги окружности).

Интерполяторы могут работать по методу оценочной функции или по методу цифровых дифференциальных преобразователей. Рассмотрим принципы работы ин- терполяторов, работающих по методу оценочной функции.

5. ЛИНЕЙНЫЙ ИНТЕРПОЛЯТОР

Предположим, что задано перемещение режущего инструмента между опор- ными точками Ao и Ak плоскости ХУ (рис. 9). Каждая точка плоскости характери-

зуется коэффициентом

9

K = Ui Cj

где C j и Ui - текущие координаты произвольно выбранной точки, выраженные в

дискретах, j и i - количество шагов, которое нужно было сделать по осям координат, чтобы попасть в заданную точку. Точки, лежащие на прямой Ao Ak , характеризуют-

ся коэффициентом

K = Uk Ck

где Ck и Uk - координаты конечной опорной точки заданной прямой.

В зависимости от знака разности коэффициентов

плоскость ХУ делится на три области. Первая область над прямой Ao Ak , где H>0.

Вторая область под прямой Ao Ak , где H<0. Третья область на прямой Ao Ak , где H=0.

Каждый интерполятор имеет свой алгоритм работы. Будем считать, что дан- ный линейный интерполятор работает по следующему алгоритму.

1. Если Н³ 0 , то интерполятор вырабатывает и посылает на привод подач один

электрический импульс для перемещения режущего инструмента на одну дискрету по оси Х.

2. Если Н<0, то интерполятор вырабатывает и посылает на привод подач один элек-

трический импульс для перемещения режущего инструмента на одну дискрету по оси У.

3.После каждого очередного шага вновь рассчитывается новое значение оценочной функции.

Так как режущий инструмент в рассматриваем случае перемещается по двум координатам, то и УЧПУ должно иметь два привода подач.

Упростим выражение (5.1). Приведем его к общему знаменателю и использу- ем только числитель, как носитель знака. Получим выражение оценочной функции

вида

Произведем упрощение и выражения (5.2) в предположении, что интерполятор имеет возможность запоминать по какой координате был сделан предыдущий шаг. 1. Предположим, что предыдущий шаг был сделан по оси Х. Тогда текущая коорди- ната режущего инструмента будет равна предыдущей координате плюс одна дис-

крета

Cj+1 = Cj + 1

Подставим это выражение в формулу (5.2).

Fj+1,i = Ui × Ck - Uk × (Cj + 1) = Ui × Ck - Uk × Cj - Uk = Fj,i - Uk

Следователь- но, после очередного шага по оси Х новое значение оценочной функции рассчиты-

10

вается как разность между предыдущим значением оценочной функции и координа- той конечной опорной точки по оси У.

2. Предположим, что предыдущий шаг был сделан по оси У. Тогда текущая коорди- ната режущего инструмента будет равна предыдущей координате плюс одна дис-

крета

Ui+1 = Ui + 1

Подставим это выражение в формулу (5.2).

Fj,i+1 = (Ui + 1) × Ck - Uk × C j = Ui × Ck - Uk × C j + Ck = Fj,i + Ck

Следователь- но, после очередного шага по оси У новое значение оценочной функции рассчиты- вается как сумма предыдущего значения оценочной функции и координаты конеч- ной опорной точки по оси Х.

Пример. Рассчитать и построить траекторию движения режущего инструмен- та при Ck = 5 и Uk = 3.

1. В начальный момент времени (в точке Ao ) оценочная функция равна нулю и шаг делается по оси Х. После шага производится расчет нового значения оценочной функции.

F1,0 = F0,0 - Uk = 0 - 3 = -3

2. Новое значение оценочной функции получилась меньше нуля. Очередной шаг делается по оси У. После шага по оси У вновь рассчитывается новое значение оце- ночной функции.

F1,1 = F1,0 + Ck = -3+ 5 = +2

3. F1,1 > 0, очередной шаг делается по оси Х; новое значение оценочной функции

F2,1 = F1,1 - Uk = +2 - 3 = -1

4. F2,1 < 0, очередной шаг делается по оси У; новое значение оценочной функции

F2,2 = F2,1 + Ck = -1 + 5 = +4

5. F2,2 > 0, очередной шаг делается по оси Х; новое значение оценочной функции

F3,2 = F2,2 - Uk = +4 - 3 = +1

6. F3,2 > 0 , очередной шаг делается по оси Х; новое значение оценочной функции

F4,2 = F3,2 - Uk = +1- 3 = -2

7. F4,2 < 0, очередной шаг делается по оси У; новое значение оценочной функции

F4,3 = F4,2 + Ck = -2 + 5 = +3

8.F4,3 > 0 , очередной шаг делается по оси Х; новое значение оценочной функции

F5,3 = F4,3 - Uk = +3- 3 = 0

Линейный интерполятор прекращает работу если он сделал по осям коорди- нат столько шагов, сколько их было задано в задании (5 шагов по оси Х и 3 шага по оси У).

На рисунке 10 показана действительная траектория движения режущего инст- румента, обозначенная точками 0-8. Как видно из рисунка, траектория является ло- манной кривой, каждая ступенька которой равна одной дискрете. Особенностью