Подсистема управления системы ЧПУ

5.1.1 Управление геометрической задачей

Важнейшей из задач управления является геометрическая. Она присутствует во всех системах ЧПУ.

Геометрическая задача состоит из трех крупных модулей: интерпретатор управляющих программ; интерполятор; модуль управления следящими приводами.

Ø Интерпретатор управляющих программ

Интерпретатор транслирует кадры управляющей программы, представляя их в формате, удобном для работы интерполятора. В фазе интерпретации кадра система ЧПУ выполняет следующие действия:

- переводит кадр управляющей программы во внутренний формат. При этом происходит сортировка информации по типу параметров: G-функции, перемещения, адреса, комментарии.

Пример разбора кадра на первом шаге интерпретации.

Пример кадра	N20	G91	G01	X20,5	Y37,5	F2500	*Comment
G-функции		G91	G01
Перемещения				X20,5	Y37,5
Адреса	N20					F2500
Комментарии							*Comment

- выполняет эквидистантные расчеты и расчеты, связанные со стыковкой эквидистантных контуров;

- осуществляет преобразование координатных систем (абсолютная, относительная) и систем измерения (мм, дюймы);

- вызывает стандартные циклы и подпрограммы;

- разделяет потоки данных геометрической, логической и других задач.

На завершающей стадии данные поступают в кольцевой буфер, позволяющий анализировать на совместимость группу соседних кадров с эквидистантной коррекцией.

Ø Формирование траектории движения инструмента (интерполяция)

Любую траекторию перемещения, которую должен пройти режущий инструмент при механообработке, можно разложить на элементарные перемещения из отрезков прямых линий и дуг окружности. Такие перемещения в ЧПУ называются интерполяциями (от латинского слова interpolatio – «изменение»).

Современные изделия, производимые на станках с ЧПУ, отличаются разнообразной и сложной формой, часто состоящей из параболических, винтовых или сплайновых поверхностей. Каждую такую поверхность также можно представить в виде сочетания элементарных отрезков прямых линий и круговых дуг. Но при этом количество элементарных перемещений становится неоправданно большим, а управляющая программа громоздкой и сложной (объем такой управляющей программы может составить больше 100 мегабайт и более). Для того чтобы многократно уменьшить и упростить управляющую программу по обработке поверхностей сложной формы, системы ЧПУ большинства современных станков оснащаются не только линейными и круговыми интерполяторами, но и винтовыми, параболическими, сплайновыми и т.п.

Интерполятор системы ЧПУ – это вычислительный блок, задающий последовательность управляющих воздействий для перемещения рабочего органа в соответствии с функциональной связью между координатами опорных точек.

Интерполятор является важнейшим узлом всей системы ЧПУ. Остальные узлы подготавливают информацию для интерполятора и преобразуют выдаваемые им электрические импульсы в сигналы управления приводами подач.

Интерполятор выполняет следующие функции:

- производит расчёт координат промежуточных точек траектории движения рабочего органа по координатам конечных точек и определенному закону интерполяции в плоскости или в пространстве;

- осуществляет связь перемещений по координатам. На каждый импульс интерполятора привод соответствующей координаты осуществит перемещение рабочего органа на определенную величину, зависящую от технических возможностей системы ЧПУ;

- поддержание постоянной контурной скорости, т.е. электрические импульсы на приводы должны поступать непрерывно в соответствии с требуемым законом движения. Контурная скорость – результирующая скорость подачи рабочего органа, вектор которой равен сумме векторов скоростей перемещения этого органа вдоль осей координат.

Если на станке с ЧПУ необходимо выполнить прямолинейное перемещение инструмента (линейную интерполяцию) вдоль одной из осей координат станка, то такое перемещение система ЧПУ исполняет включением привода подач по данной оси, а по другим осям привод подач не включается. Если же необходимо выполнить круговую интерполяцию или линейную интерполяцию в направлении, непараллельном какой-либо оси координат, то механизм работы системы ЧПУ существенно усложняется.

Однако, для осуществления на станке процесса сложного формообразования необходимо, чтобы в каждый момент времени обеспечивалось согласованное движение рабочих органов станка по двум или большему количеству координат.

В этом случае система ЧПУ реализует перемещение инструмента при помощи аппроксимации. Под аппроксимацией в теории ЧПУ понимается замена одной функциональной зависимости на другую более простую с определенной степенью точности. В данном случае аппроксимация сводится к тому, что вместо одного прямолинейного перемещения или перемещения по дуге от исходной точки до точки с заданными координатами система ЧПУ задает инструменту перемещения по ломаной линии, элементарные отрезки которой параллельны координатным осям. При этом нужно поддерживать такое соотношение скоростей движения по осям, чтобы траектория перемещения соответствовала заданной траектории.

Рисунок 15 -
Прямолинейное перемещение режущего инструмента (линейная интерполяция) (а) и его аппроксимация (б)

На рис.15,а показан случай прямолинейного перемещения режущего инструмента (линейная интерполяция), на рис.15,б – аппроксимация данного перемещения системой ЧПУ станка. На рис.16,а - случай перемещения режущего инструмента по дуге окружности (круговая интерполяция), на рис.16,б – его аппроксимация.

Рисунок 16 - Перемещение режущего инструмента по дуге (круговая интерполяция) (а) и его аппроксимация (б)

На рисунках линиями от точки a до точки b показаны траектории перемещения инструмента, заданные управляющей программой. Отрезками от X₁ до X_i и от Y₁ до Y_i показаны замены заданного перемещения на элементарные перемещения соответственно вдоль координатных осей X и Y. Как видно из изображений элементарные перемещения не всегда одинаковы по своей величине в процессе одного заданного перемещения. Система ЧПУ сама определяет величину каждого элементарного перемещения, исходя из двух условий:

- отклонение траектории элементарного перемещения от траектории заданного перемещения не должно превышать установленную программой величину аппроксимации (общепринятым считается погрешность аппроксимации равная (15…25)% всего поля допуска на неточность обработки данного размера);

- элементарные перемещения вдоль разных координатных осей должны быть так согласованы между собой, чтобы они одновременно начались в исходной точке и прекратились так же одновременно при достижении конечной точки заданного перемещения.

Интерполяционный процесс – это совокупность непрерывно повторяющихся (до полной обработки всей информации кадра) вычислительных циклов, которые завершаются определением комбинации выдаваемых на приводы подач управляющих дискрет.

Интерполятор непрерывно в соответствии с заданными перемещениями поддерживает функциональную связь между опорными точками и оценивает отклонения от заданной траектории, стремясь свести их к минимуму. Эти "ступеньки" имеют некоторое отклонение от заданной траектории перемещения. Величина отклонения полученной "ступенчатой" траектории будет равна или кратна цене импульса (разрешению) системы ЧПУ или импульса формируемого датчиком обратной связи. Так как в современных станках разрешение системы ЧПУ приближается к 0,001 мм (1мкм), то получаемое перемещение можно рассматривать как гладкое.

В зависимости от вида аппроксимирующей функции существует три типа интерполяторов: линейные, линейно-круговые и линейно-параболические. Линейные интерполяторы обеспечивают перемещение между двумя соседними опорными точками по прямой, линейно-круговые – по прямым и дугам окружностей, а линейно-параболические – по прямым и параболам.

Линейные интерполятор позволяет в одном кадре УП задать суммарное перемещение рабочих органов по прямой (при линейном перемещении по двум координатам), по архимедовой спирали или винтовой линии (при одновременном вращении стола и равномерном прямолинейном перемещении рабочего органа).

Круговой интерполятор позволяет описать одним кадром часть окружности в любой плоскости.

Круговая интерполяция достаточно просто может быть использована только в том случае, если обрабатываемый контур задан участками дуг окружностей известных радиусов. Если же участок не является дугой окружности, то приходится или использовать линейную интерполяцию с аппроксимацией контура ломаной линией, или выполнять аппроксимацию криволинейного контура (например, параболы) участками дуг окружностей.

Работа интерполятора как вычислительной машины основана на решении определенных задач. Известно несколько методов интерполяции, среди которых наиболее распространен метод оценочной функции, основанный на решении алгебраических уравнений.

При задании информации (вводе очередного кадра программы в устройство управления) в виде координат конечной для данного участка точки интерполятор автоматически определяет положения всех точек, по которым должен переместиться рабочий орган.

Рисунок 17 -
Линейная и круговая интерполяция по методу оценочной функции

Это происходит следующим образом. При линейной интерполяции отрезок прямой рассматривают в системе координат, начало которой совмещено с начальной точкой интерполируемого отрезка. Оценочную функцию задают формулой F_ij=y_ix_k-x_iy_k.

Логическая сущность оценочной функции состоит в том, что для каждой точки прямой справедливо соотношение tga=y_k/x_k=y_i/x_i или y_kx_i=x_ky_i. Эта прямая делит плоскость на две области. Если F_ij=0, то точка лежит на прямой, если F_ij<0, то ниже прямой, если F_ij>0, то точка лежит выше прямой.

После подачи каждого импульса интерполятор определяет значение оценочной функции. Как только после подачи очередного импульса оценочная функция изменит знак, (в точке 2), интерполятор начнет выдавать импульсы для управления приводом перемещения по оси X, прекратив подачу импульсов в привод управления перемещением по оси Y. Количество импульсов на отрезке перемещения от точки к точке зависит от дискретности системы УЧПУ.

Основные функции управления в системах автоматизации технологическим оборудованием могут выполняться в двух основных режимах управления: в режиме комбинированного управления и в режиме прямого цифрового управления.

Режим комбинированного управления предполагает наличие в составе системы внешнего по отношению к ЭВМ специализированного оборудования, участвующего в интерполировании или в формировании управляющих воздействий. В режиме прямого управления информация о состоянии объекта управления поступает непосредственно в ЭВМ, на которую полностью возлагается выполнение всех функций, связанных с формированием управляющих воздействий, а внешнее по отношению к ЭВМ оборудование обеспечивает только формирование измерительной информации и усиление выдаваемых из ЭВМ управляющих воздействий до величины, достаточной для управления исполнительными двигателями.

Режим прямого управления от ЭВМ позволяет реализовать алгоритмы управления, обеспечивающие минимизацию статических и динамических ошибок управления.

В системах ЧПУ с комбинированным режимом управления большое распространение получили интерполяторы, построенные по схеме импульсных умножителей (рис.18).

Задающим элементом УЧПУ является генератор импульсов (ГИ), который формирует импульсы и подает их с определенной частотой на счетчик интерполятора. Как правило, частота подаваемых импульсов определяется в зависимости or программируемой подачи.

Импульсы от генератора поступают на счетчик импульсов. Счетчик построен таким образом, что на каждые пятнадцать входящих в него от генератора импульсов с первого его выхода на вход в логический элемент И (Э1) поступает восемь импульсов; со второго - четыре (Э2) с третьего - два (ЭЗ) и с четвертого — один (Э4). То есть в системе имеется возможность получения импульсов со счетчика в соответствии с разрядами двоичной системы счисления (8421). Вторые входы элементов И (Э1—Э4)соединены с разрядами регистра памяти интерполятора, вкоторой в каждый конкретный момент находится кодированная (в двоично-десятичном коде) информация о необходимом перемещении рабочего органа, полученная в результате интерполяционного процесса (указано количество импульсов).

Рисунок 18 -
Функциональная схема линейного интерполятора

Следовательно, на вторые входы элементов И с соответствующих разрядов регистра памяти будут поступать нули или единицы, т. е. данные управляющей программы. Так как на вход элементов Э1---Э4 непрерывно подаются импульсы от генератора в соотношении 8421, то возможность их прохождения через эти элементы к выходному (суммирующему) элементу Э5 определят сигналы на элементы Э1 — Э4 от регистра памяти. Если на элементы Э1—Э4 с регистра памяти поступят единицы, то эти элементы пропустят импульсы от счетчика, а если нули – то на выходе этого элемента будет ноль. В результате на выходе рассмотренного блока линейного интерполятора формируется число импульсов, соответствующих коду, записанному в регистре памяти.

Например, программой задано и введено в регистр памяти число семь; в двоично-десятичном коде оно имеет вид 0111 (рис.18). Восемь импульсов с первого выхода счетчика не пройдут элемент И (Э1), так как на второй вход Э1 из регистра памяти поступает нуль. Следовательно, с выходов счетчика пройдут на элемент ИЛИ (Э5) соответственно четыре, два и один импульс. В результате на выходе блока интерполятора (элемента Э5) будет сформировано семь импульсов, что соответствует коду в регистре памяти в данный момент.

Линейный интерполятор построен из нескольких таких блоков. Двоично-десятичный счетчик по каждой координате представляет собой последовательность соединенных декад, количество которых равно количеству значащих цифр, которые СЧПУ воспринимает при задании координат рабочего органа (тысячи, сотни, десятки, единицы и десятые, сотые, тысячные доли мм). Импульсы переполнения младших декад служат входными импульсами для старших декад.

Выходы счетчика всех декад по одной координате объединены и представляют собой шину Х, Y или Z соответственно (рис.19). На суммирующий счетчик по координате поступает количество импульсов соответствующее закодированной в программе координате.

Рисунок 19 -
Структурная схема отбора импульсов со счетчика

Выходная информация из интерполятора может поступать в декодированном (импульсном) виде или в кодированном. При декодированном виде каждому импульсу соответствует элементарное приращение, которое называется ценой импульса, и является постоянной величиной для данной СЧПУ. Скорость движения подачи пропорциональна частоте импульсов с высокой степенью точности. Максимальная частота импульсов является одной из основных характеристик интерполятора. Обычно она не превышает 8-10 кГц. При цене импульса 1 мкм максимальная скорость подачи составит 600 мм/мин = 10 мм/с. Увеличение скорости возможно только путем увеличения цены импульса, что снижает точность обработки.

Рисунок 20 -
Функциональная схема блока декад линейного интсрполятора

Для увеличения скорости подачи без снижения точности используют кодированную форму выдачи сигналов с выхода интерполятора. Чаще всего используется двоичная система кодирования. Импульсы с выхода интерполятора поступают с постоянной частотой 100-200 Гц. Цена импульса меняется, чем больше цена импульса, тем выше скорость движения рабочего органа. При больших скоростях цена импульса может достигать нескольких десятков миллиметров. Максимальная скорость подач при таком способе выдачи управляющих импульсов может достигать 10-15 м/мин.

Кодированная система выдачи управляющих импульсов в настоящее время используется практически во всех системах ЧПУ построенных на базе ЭВМ.

При интерполяции может быть использован любой закон изменения сложной траектории движения узлов. Он устанавливается вводом соответствующей информации-инструкции. Чтобы не усложнять интерполятор, иногда его функции делят между универсальной ЭВМ и линейным интерполятором.

Выполнение функций управления с помощью программно-математического обеспечения дает наибольшую гибкость в использовании аппаратных средств, но может быть ограничено быстродействием процессора. Это относится, в частности, к интерполяции и управлению приводами. Для разгрузки вычислителя в определенных модификациях устройств ЧПУ с «Электроникой НЦ-60» интерполяция выполняется аппаратно, что позволяет увеличить число управляемых координат.

ЭВМ определяет координаты лишь отдельных промежуточных точек программируемого сложного контура, а линейный интерполятор аппроксимирует участки между точками и находит значения всех остальных точек, располагаемых по линейному закону между основными.

Используют также компромиссное решение: используют двухступенчатую интерполяцию. В этом случае «грубая» (покодовая) интерполяция выполняется ПО, а «тонкая» - аппаратными средствами.

Величину перемещения от одного импульса программы всегда приводят в технической характеристике станка, ее называют дискретностью задания перемещений.

В последнее время к интерполятору предъявляют новые требования: уменьшение цены дискреты в приводе до 0,5 микрометра и меньше, прямой выход на приводы, что необходимо при особо высоких скоростях подачи, разложение сложных перемещений на линейные комбинации простых перемещений. Эти требования определяют открытую структуру интерполятора, в которой четко обозначены отдельные блоки. Открытый интерполятор допускает свободное наращивание алгоритмов интерполяции и произвольную их комбинацию при воспроизведении сложных траекторий в многокоординатном пространстве.

Режим работы определяется в зависимости от содержания кадра управляющей программы. Например, при обработке винтовой линии будут включены блоки линейного разгона-торможения, круговой интерполяции, линейной интерполяции, управления приводами подач. При обработке деталей на пяти- и более координатных станках возможна одновременная работа нескольких круговых, линейных и сплайновых интерполяторов.

Нарезание резьбы на токарном станке выполняется следующим образом. Привод шпинделя не управляется интерполятором, но шпиндель снабжен датчиком вращения, синхронизирующие сигналы с которого поступают в электронный делитель импульсов устройства управления. Коэффициент деления (передаточное отношение) датчика программируется. Сигналы, снимаемые с делителя, являются управляющими для привода подач. Такой способ суммирования простых движений называется электронной гитарой.

Программоносителем является величина передаточного отношения, устанавливаемая с помощью делителя. Эта величина может изменяться во время работы по определенному закону для нарезания резьбы с переменным шагом.

5.1.2 Управление логической задачей

Логическая задача – это задача управления цикловой электроавтоматикой. Реализуется двумя способами:

- программно в рамках системы ЧПУ;

- с помощью программируемого контроллера.

Жизненный цикл логической задачи управления предполагает программирование, интерпретацию программы и ее исполнение. Современная тенденция состоит в упрощении первой фазы за счет визуального программирования, включая инструментальную поддержку, и в объектно-ориентированной реализации второй фазы.

Объектно-ориентированный подход использует понятия класса и объекта. Класс описывает тип оборудования, а объект - конкретный экземпляр. Для класса создаются шаблоны структур данных и методы работы с этими данными. В объекте класса по шаблону выстраиваются конкретные данные, и приводится ссылка на обслуживающий их процесс. При появлении нового типа оборудования новый класс не разрабатывают с нуля, а подбирают наиболее близкий класс и вносят в него изменения. При этом повышается уровень унификации разработки, появляется возможность повторного использования и собственных функциональных модулей и готовых модулей других разработчиков, уменьшается вероятность ошибок при разработке сложных систем.

Методика описания цикла электроавтоматики включает следующие этапы:

- разработка первичного автомата (верхнего уровня иерархии управления), который по своей сути является диспетчером основных режимов работы управляемого объекта;

- разработка режима нерегулярных ситуаций (внутренний режим), который сохраняет корректность состояния объекта управления при любых переключениях основных режимов, а также гарантирует неизменное состояние объекта, если цикл пассивен;

- выделение параллельно работающих автоматов;

- разработка автоматов нижнего уровня иерархии управления.

- Рассмотрим решение логической задачи на примере управления револьверной головкой токарного станка. Возможна работа в двух режимах:

- автоматический, при котором обеспечивается вызов любой позиции револьверной головки;

- ручной, например поворот на очередную грань.

Первичный автомат инициируется клавишей начального пуска. После этого происходит переключение в заданный режим управления (ручной или автоматический), при этом активизируются соответствующие режимные управляющие элементы панели оператора.

Далее система переходит в режим нерегулярных ситуаций. При этом идентифицируется текущее состояние револьверной головки, для этого определяется угол фактического поворота револьверной головки. Далее возбуждается команда разжима головки, затем команда вращения. При вращении головки вызывается алгоритм определения совпадения по углу с заданным положением грани РГ. В заданном положении формируется команда торможения. После остановки подается команда зажима РГ.

Выделим параллельные процессы (по принципу наличия собственного двигателя):

- зажим-разжим РГ;

- вращение-останов.

Сочетание этих параллельных процессов дает следующие возможные состояния:

зажим-разжим

- корректный разжим (разжим в заданном положении РГ), инициирует процесс зажима;

- корректный зажим (зажим в заданном положении РГ) инициирует процесс перехода в статическое состояние зажима;

- некорректный разжим (разжим в неправильном положении РГ) инициирует процесс перехода в статическое состояние разжима;

- некорректный зажим (зажим в неправильном положении РГ) инициирует процесс разжима головки;

вращение-останов

- корректное вращение (нормальное вращение РГ в разжатом состоянии) инициирует процесс перехода в статическое состояние вращения;

- некорректное вращение (включена команда вращения в зажатом состоянии РГ) инициирует процесс торможения РГ;

- корректный останов (остановка РГ в правильном положении) инициирует процесс перехода в статическое состояние покоя;

- некорректный останов (остановка РГ в неправильном положении) инициирует процесс пуска вращения.

Совместное рассмотрение этих двух процессов показывает, что система управления обеспечивает автоматический выход из любых некорректных ситуаций. Управляя условиями выхода из статических состояний, можно построить любой цикл автоматического или ручного управления.

5.1.3 Управление терминальной задачей

Терминальная задача имеет особое значение, так как определяет функциональные возможности управления. Наиболее важными разделами терминальной задачи управления служат интерпретатор диалога оператора в Windows-интерфейсе, редактор управляющих программ, редактор-отладчик УП.

Современные системы управления используют архитектуру персонального компьютера и располагают широкими возможностями организации человеко-машинного интерфейса в операционной среде Windows. Наиболее сложной является подсистема интерпретации диалога. Функциями диалога являются:

- получение текущей информации о процессе управления;

- тестирование системы и объекта;

- редактирование и моделирование УП;

- ручной ввод и управление отработкой данных;

- ввод программы и автоматическое управление;

- управление наладочными операциями.

Оператор системы управления задает переходы между состояниями с помощью аппаратной и функциональной клавиатуры. Нажатие на клавиши переводит систему в новый режим работы или открывает диалоговое окно. Клавиши могут быть в трех состояниях:

- готовности (доступны оператору);

- работы (нажатое состояние);

- блокировки (недоступны для воздействия).

Кроме этого интерпретатор диалога выполняет контроль действий оператора.

В рамках инструментальной системы визуального проектирования задание вводят непосредственно в виде иерархического графа.

5.1.4 Диагностическая задача управления

Как правило, системы ЧПУ располагают отдельным режимом диагностики, который реализован в виде программно-аппаратного комплекса и ориентирован на тестирование и глубокое исследование логической и геометрической задач управления. Наиболее совершенные системы диагностики считывают измеряемые сигналы, определяют их конфигурацию, запоминают результаты измерений, выполняют операции над измеренными сигналами.

В первую очередь следует диагностировать логическую и геометрическую задачи управления. Для диагностики логической задачи управления служит логический анализатор, а для диагностики геометрической задачи предназначен осциллограф. Для доступа оператора к результатам измерений предназначен виртуальный прибор диагностики, который предлагает средства интерактивного конфигурирования и визуализации измерений. Концепция виртуальных приборов позволяет использовать разработанные средства диагностики в различных приложениях. Такие диагностические системы могут быть применены в любых устройствах ЧПУ.