Разработка программного обеспечения микропроцессорной системы автоматической коррекции скорости / ПЗ-Сергей

Введение

Рост промышленного производства пробудил интерес предприятий к станкам с числовым программным управлением, однако интерес этот в значительной степени сдерживается высокой стоимостью такого оборудования и отсутствием средств у большей части отечественных производителей. Наиболее доступным решением проблемы является модернизация станков путем замены старой системы управления на ЧПУ.

Целесообразность такого подхода можно объяснить следующим:

- прогресс электронной составляющей станков с ЧПУ по своим темпам существенно превосходит прогресс механической составляющей (так, если производительность вычислительных систем и ёмкость запоминающих устройств выросли за последние 10 лет в сотни раз, то размеры рабочих зон, обороты двигателей и точность позиционирования остались практически неизменными);

- замена станка часто связана со значительными дополнительными капитальными вложениями, такими как демонтаж станины, демонтаж старых и монтаж новых гидравлических, пневматических и электрических коммуникаций;

- современное машиностроительное предприятие имеет практически неограниченные возможности по капитальному ремонту и даже улучшению состояния механических частей

станков, в то время как ремонт электронных блоков с каждым годом становится всё более трудоёмким.

Проблемы поддержания требуемого технического состояния и эффективной эксплуатации систем ЧПУ являются одними из наиболее острых у большинства современных предприятий. Это обусловлено следующими причинами:

Во-первых, из-за трудностей с приобретением систем ЧПУ в 70-х – 80-х годах (когда в основном формировался современный парк станков с ЧПУ) на предприятиях скопилась очень

большая номенклатура таких систем. Системы имеют различную элементную базу, причем некоторые комплектующие уже сняты с производства (часто приобретение необходимого для ремонта элемента становится самостоятельной проблемой).

Во-вторых, несмотря на наличие стандарта, определяющего порядок подготовки прикладных программ для станков с ЧПУ, практически каждая система имеет особенности программирования, в связи с чем технологическая подготовка не может быть унифицирована. Часто различия в программировании бывают существенными (так, в системах типа Н22 и аналогичных перемещения программируются в импульсах шагового двигателя, в то время как в других системах используются координаты точки; значительно различаются форматы описания скоростей подачи и т.д.).

В-третьих, большинство из существующих систем ЧПУ построено на базе процессоров линии PDP-11, прекратившей свое существование. Соответственно программное обеспечение этой линии больше не поддерживается и количество специалистов в этой области постоянно уменьшается. Базовое программное обеспечение рассматриваемых систем записано на постоянном запоминающем устройстве, что практически исключает возможность его модернизации в условиях завода.

1. Постановка задачи. Обоснования выбора принципа управления.

Целью дипломного проектирования является разработка программного обеспечения микропроцессорной системы автоматического контроля скорости движения рабочего органа станка.

1. Классификация способов управления станками

Ручное управления	Автоматы и полуавтоматы	Электронное(программное) управление
	один распределительный вал, вращающийся с постоянной для данной настройки частотой.	ПУ ЦПУ NC (ЧПУ) HNC SNC CNC DNC
	один распределительный вал, которому в течение цикла сообщаются две частоты вращения
	один распределительный вал и быстроходный вспомогательный вал

Автоматизация технологического процесса механической обработки имеет место в условиях крупносерийного и массового производства, где применяются станки-автоматы.

Автоматом называется станок, в котором автоматизированы все основные и вспомогательные движения, необходимые для выполнения технологического цикла обработки заготовок, включая загрузку и выдачу обработанной дели. Обслуживание автомата сводится к периодической наладке, подаче материала на станок и контролю обрабатываемых деталей.

Полуавтоматом называется автоматический станок, в котором часть движений неавтоматизирована. В большинстве случаев это движения, связанные с загрузкой и снятием заготовки.

Токарные станки и полуавтоматы применяются для обработки деталей сложной конфигурации с помощью большого количества инструментов. Они подразделяются: по назначению – на универсальные и специализированные; по виду заготовки – на прутковые и патронные; по количеству шпинделей – на одношпиндельные и многошпиндельные; по расположению шпинделей – на горизонтальные и вертикальные.

Автоматы можно разделить на три группы. Первая группа - авто­маты, имеющие один распределительный вал, вращающийся с постоянной для данной настройки частотой. Вал управляет как рабочими, так и вспомогательными движениями. Для автоматов этой группы характерна большая потеря времени при вспомогательных движениях, так как они выпол­няются при той же (медленной) частоте вращения распределительного вала, что и рабочие операции. Однако в автоматах малых размеров с небольшим количеством холостых движений применение такой схемы целесообразно вследствие ее простоты.

Вторая группа — автоматы с одним распределительным валом, которому в течение цикла сообщаются две частоты вращения: малая при рабо­чих и большая при холостых операциях. Такая схема обычно применяется в многошпиндельных токарных автоматах и полуавтоматах.

Третья группа — автоматы, имеющие, кроме распределительного ва­за, еще и быстроходный вспомогательный вал, осуществляющий холостые движения. Команды на выполнение холостых движений подаются распределительным валом с помощью закрепленных на нем специальных барабанов с упорами.

Автоматическое управление этих станков осуществляется с помощью распределительного (кулачкового) вала. Вал управляет как рабочими, так и вспомогательными движениями. Распределительный вал вращается с постоянной частотой. Обычно за один оборот вала происходит полный цикл обработки детали.

Автоматы управляются при помощи механических устройств, которые в условиях мелкосерийного и единичного производства нерентабельны ввиду их сложной переналадки. Возникла необходимость в средствах автоматизации, которые позволяли бы производить частую переналадку станков при обработке деталей малых партий. Эта задача решается применением станков с электронными системами управления, которые называют станками с программным управлением.

Целесообразно использовать обработку детали на станках с ЧПУ в следующих случаях:

- когда детали или изделия имеют сложные криволинейные поверхности и требуется их мелкосерийный или серийный выпуск;

- когда необходим серийный выпуск деталей обработка которых ведётся с большим количеством технологических переходов и операций;

- когда необходим мелкосерийный но регулярный выпуск деталей или изделий (от 30...50шт. в месяц), имеющих в своей конструкции признаки упомянутые в предыдущих пунктах, и велика вероятность того, что конструктивно эти детали могут претерпевать изменения. В этом случае можно оперативно вносить соответствующие изменение в управляющие программы обработки, без снижения общей производительности выполняемых работ.

Во всех перечисленных выше случаях имеет место неоспоримое преимущество механической обработки деталей на станках с ЧПУ перед обработкой с применением автоматического или ручного управления, как с экономической точки зрения, так и с точки зрения качества получаемой продукции.

П – управляющая программа, БУ – блок управления, У – усилитель, ИО – исполнительный орган, РО – рабочий орган, ДП – датчик перемещения.

Рис. 1 Схема электронной системы управления

Блок управления. Его назначение – преобразовывать соответствующие физические воздействия в электрические командные импульсы или потенциалы. Он также выполняет функции сопоставления задания с информацией датчика перемещений, расшифровывает введенную информант и др. Элемент БУ является обобщающим понятием различных устройств программного управления: дешифратора, интерполятора, счетчика и др. в зависимости от принятой схемы реализации командных воздействий. Эти устройства предназначены для переработки управляющей информа­ции и выполнения отдельных функций автоматического управления на ос­нове использования электронных приборов.

Усилитель. В случае необходимости он поднимает полученный электрический потенциал до необходимого уровня, обеспечивающего на­дежное управляющее воздействие.

Исполнительный орган. реализует командные импульсы путем подключения рабочего органа станка к источнику движения или выполне­ния других функций автоматического управления. Элемент ИО обобщает различные сервомеханизмы, которыми обычно в станках являются контак­торы, электромагниты, электромагнитные муфты, шаговые двигатели, зо­лотники и т. д.

Рабочий орган. Фактически реализует командные воздействия, являясь целевым управляемым органом станка.

Датчик перемещения. Его назначение - регистрировать факти­ческое перемещение рабочего органа станка. Наличие ДП определяет зам­кнутую систему программного управления, в отличие от более простой, открытой системы программного управления, у которой отсутствует этот элемент. Он обобщает различные системы путевого контроля, приме­няемые в замкнутых системах ЧПУ в качестве устройств обратной связи. В эти системы входят датчики, измеряющие величины фактического пере­мещения рабочего органа или положения управляемого объекта, и при­боры формирования необходимого выходного сигнала.

2. Классификация систем программного управления станками.

Различают следующие виды систем программного управления:

ПУ – программное управление – управление станком по детерминированной программе;

ЦПУ – цикловое программное управление – управление циклами перемещений или режимами обработки по программе с заданием величины параметров на путевых переключателях или других измерительных преобразователях;

NC (ЧПУ) – числовое программное управление – числовое программное управление (Numerical control) – управление обработкой на станке по программе, заданной в алфавитно-цифровом коде;

HNC – разновидность ЧПУ(Hand NC) с ручным заданием программы с пульта устройства.

SNC – разновидность ЧПУ(Speicher numerical control), имеющая память для хранения всей управляющей программы

CNC – автономное управление станком с ЧПУ(Computer numerical control), содержащие ЭВМ или процессор

DNC – управление группой станков от общей ЭВМ(Direct numerical control), осуществляющее хранение программ и распределение их по запросам от устройств управление станков ( у станков могут быть установлены устройства типов NC, SNC, CNC).

Все многообразие структур устройств ЧПУ можно подразделить на две большие группы. К первой группе относятся устройства с постоянной структурой, в которых осуществляется ввод кодированной программы на перфоленте или декодированной программы на магнитной ленте . Нашли также применение простые позиционные устройства ЧПУ с заданием программы, размещенным непосредственно у станка на штеккерных панелях. Созданы устройства с ручным вводом программы в электронную память с клавиатуры пульта (класса HNC).

Ко второй группе относятся устройства с переменной структурой. Их основные алгоритмы работы задаются программно и могут изменяться для различных применений. Эти устройства строятся на основе микроЭВМ либо микропроцессоров (класса CNC). В устройствах класса CNC и SNC можно формировать нестандартные циклы обработки, что существенно упрощает подготовку и редактирование программы.

Разрабатываются самонастраивающиеся (адаптивные) системы про­граммного управления. В открытой системе имеется только один поток информации — от элемента «ввод программы» к рабочему органу; в замкнутой системе, кроме того, имеется дополнительная корректирующая информация по линии обратной связи о фактическом перемещении рабочего органа. В идеальном случае желательно также иметь информацию о факторах случайного характера, связанных с конкретным состоянием режущего инструмента, отклонениях физических свойств заготовки от заданных, температурных колебаний в процессе резания, а также о различных силовых и других воздействиях на систему. Система программного управления, в которой, помимо основного, имеется ряд дополнительных потоков информации, позволяющих корректировать процесс обработки с учетом маловероятных воздействий, называется самонастраивающейся.

2. Разработка структурно-функциональной схемы системы. Анализ технических характеристик системы.

2.1. Разработка функциональной схемы системы.

Функциональная схема системы программного управления изображена на рисунке 2

Рис. 2.

З – Управляющая программа;

МП – микропроцессор;

У – усилитель;

ГП – гидропривод;

РУ – регулирующее устройство;

ГЭПП – гидроэлектрический преобразователь плотности.

Гидроэлектрический преобразователь плотности преобразует плотность рабочей жидкости в электрический сигнал. Сигнал преобразуется из аналогового в цифровой с помощью АЦП.

Микропроцессор выполняет функции сопоставления задания с информацией ГЭПП и вырабатывает управляющий сигнал, который преобразуется в аналоговый с помощью ЦАП и идет на усилитель.

Программное обеспечение разработано на языке Си. При разработке программного обеспечения, естественно, должны использоваться все современные элементы интерфейса «человек-ЭВМ» (окна, контекстные меню, контекстные справки, графические образы, мониторинг времени и т.д.) и поддерживаться все существующие типы устройств ввода-вывода. А также использование одинакового интерфейса для различных станков значительно облегчает подготовку и повышает эффективность использования обслуживающего персонала (технологов, операторов и наладчиков). Всё это дает возможность изменять(модернизировать) программу в условиях цеха.

12