Основные задачи систем ЧПУ
Программный способ — основной способ реализации задач в современных системах ЧПУ. Структура многоцелевых систем ЧПУ аналогична структурам управляющих ЭВМ. Решаемой задаче ставится в соответствие не конструктивный, а программный модуль, являющийся частью системного программного обеспечения (СПО) и хранящийся в памяти. Основные задачи систем ЧПУ в ГПС таковы. Ввод и хранение программного обеспечения: многоцелевую систему ЧПУ для решения определенных задач настраивают однократно (после первого включения и аварийных ситуаций) путем ввода системного программного обеспечения. Для ввода используется: в автономных системах — перфолента, в ГПС — канал связи с ЭВМ верхнего уровня. Память для хранения СПО должна быть энергонезависимой, т. е. сохранять информацию при исчезновении напряжения питающей сети. Ввод и хранение управляющей программы: УП, как и СПО, может вводиться с перфоленты или по каналу связи с ЭВМ верхнего уровня. Изредка применяют и другие способы ввода — ручной при помощи клавиатуры; с магнитной ленты, заменяющей перфоленту, и др. Память для хранения УП должна быть энергонезависимой. Вводимая УП обычно представлена в коде ИСО. Реализация циклов: выделение повторяющихся (стандартных) участков программы, называемых циклами,— эффективный способ сокращения УП. Так называемые фиксированные циклы, характерные для определенных технологических операций (сверление, зенкерование, расточка и т. д.), встречаются при изготовлении многих изделий. Программные технологические циклы соответствуют повторяющимся участкам данного изделия. Интерпретация кадра — обработка очередного кадра, требующая проведения определенных предварительных процедур. Управляющая программа состоит из отдельных частей — кадров. Чтобы обеспечить непрерывность контурного управления, процедуры интерпретации (i +l)-гo кадра должны быть реализованы во время управления по i -му кадру. Интерполяция — получение с требуемой точностью координат промежуточных точек траектории движения по координатам крайних точек и заданной функции интерполяции. Управление приводами подач зависит от типа привода. В общем случае задача сводится к организации цифровых позиционных следящих систем для каждой координаты. На вход системы поступают коды (код), соответствующие результатам интерполяции. Этим кодам должно отвечать положение по координате — линейное или угловое перемещение. Кроме управления в режиме движения по заданной траектории необходима организация некоторых вспомогательных режимов. Коррекция управляющих программ на длину инструмента сводится к параллельному переносу координат, т. е. смещению, а учет фактического радиуса инструмента — к формированию траектории движения его центра (эквидистанты). Логическое управление — управление технологическими узлами дискретного действия, входные сигналы которых проводят операции типа «Включить», «Отключить», а выходные фиксируют состояние «Включено», «Отключено». Управление приводом главного движения предусматривает включение и отключение привода, стабилизацию скорости, а в некоторых случаях — управление углом поворота как дополнительной координатой. Смена инструмента — задача, характерная для станков типа «обрабатывающий центр», состоит из двух фаз: поиска гнезда магазина с требуемым инструментом и замены отработавшего инструмента на новый. Перспективной следует считать замену движения магазина с инструментами движением захвата робота, управление которым можно рассматривать как управление по дополнительным координатам. При этом накопитель инструментов резко упрощается, превращаясь в стационарную площадку (стол). Коррекция погрешностей механических и измерительных устройств:любой конкретный агрегат механической обработки можно аттестовать при помощи измерительных средств достаточно высокого класса точности. Результаты такой аттестации в виде таблиц погрешностей (внутришаговая ошибка, накопленная ошибка, зазоры) заносят в память системы ЧПУ. При работе текущие показания датчиков агрегатов корректируются данными из таблиц погрешностей. Адаптивное управление механической обработкой осуществляется при изменении контурной скорости и скорости привода главного движения. Необходимая информация получается от дополнительно устанавливаемых датчиков - момента сопротивления, мощности привода главного движения, вибраций, температуры и др. Из-за отсутствия непрерывной обратной связи по формируемым размерам изделия часть системы механической обработки не охватывается обратной связью. В этих условиях оптимизация проводится только по косвенным критериям. Организация обратной связи непосредственно от изготовляемого изделия - одна из основных проблем повышения качества механической обработки. Накопление статистической информации включает в себя фиксацию текущего времени и времени работы, определение коэффициента загрузки оборудования, учет продукции и т. д. Автоматически встроенный контроль в зоне обработки особенно нужен для ГПС. Наиболее просто эту задачу можно решить, установив измерительный щуп (контактный или бесконтактный) в одно из гнезд магазина обрабатывающего центра. 4,4,3. Структура и принципы работы микропроцессорных устройств ЧПУ Микропроцессор - программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления, выполнено на основе одной или нескольких больших интегральных схем. В микропроцессор входят три устройства: арифметико-логическое, управления и запоминающее. Наша промышленность выпускает различные микропроцессоры, используемые для построения микроЭВМ и на их основе современных систем ЧПУ. Типовые микропроцессорные комплекты, например серии КР 580, КР 581, КР 582, КР 588, КР 1802 и другие, обычно включают в себя большие интегральные схемы (БИС) микропроцессора, микропрограммного управления, обмена информацией, оперативной, постоянной и полупостоянной памяти. В дополнительные комплекты могут входить БИС ускоренного переноса, арифметического расширителя, приоритетных прерываний, прямого доступа к памяти, управления периферийным оборудованием и др. В системах ЧПУ наиболее широко используют микроЭВМ типа «Электроника-60». Разрядность «Электроники-60» ограничена 16 битами; для систем ЧПУ требуется большая разрядность. Например, для путевых координат необходимо до 10 десятичных разрядов, что соответствует 24 двоичным разрядам. Поэтому системы ЧПУ с «Электронпкой-60» работают со словами удвоенной или утроенной разрядности, что несколько снижает скорость вычислений. Быстродействие «Электроники-60» составляет 250 тыс. операций/с, информационная емкость оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) - 4...28 тыс. слов, число команд - 74. Интерфейс микроЭВМ - типа «общая шина». Он предусматривает разделение во времени передачи данных от разных периферийных устройств. Обмен данными осуществляется тремя способами: программный обмен - обмен с периферийными устройствами по своей программе; обмен программным прерыванием - прерывание основной программы по требованию внешнего устройства, выполнение обмена и возврат к основной программе; приостанов работы процессора и прямой доступ к памяти при помощи внешних устройств. Разработано много устройств сопряжения общей шины «Электроники-60» с периферийными блоками. В результате с микроЭВМ «Электроника-60» можно использовать, например, дисплей «Видеотон УТ340», АЦПУ М-180, накопители ИЗОТ-1370 или НГМД-70 на магнитных дисках, кассетные накопители «Искра» на магнитной ленте, пультовую пишущую машинку «Consul-260», многоканальные ЦАП и АЦП. «Электроника-60» имеет развитое программное обеспечение. В состав перфоленточной операционной системы ПЛОС входят программы загрузчика, компоновщика, редактор текста, супервизор ввода/вывода, БЕЙСИК и др. В дисковую операционную систему ДОС входит набор трансляторов с языков БЕЙСИК, ФОРТРАН-IV, МАКРО-11. У «Электроники-60» нет элементов аппаратного контроля. К программным средствам относятся следующие тексты: проверочные (установление факта исправности или неисправности устройства), диагностические (для локализации неисправности), наладочные(для профилактических и ремонтных работ). Для тестового контроля необходимо, чтобы процессор и часть памяти функционировали нормально. Современные системы ЧПУ и, в частности, многоцелевые создаются в основном на базе «Электроники-60»; другие семейства микроЭВМ, применяемые в ЧПУ, ориентируют на систему команд и интерфейс «Электроники-60». Например, микроЭВМ «Электроника НЦ-80-З1 воспроизводит систему команд и интерфейс «Электроники-60». Однопроцессорная структура с интерфейсом ОШ - наиболее простая для многоцелевой системы ЧПУ. К общей шине ОШ подключаются процессор, оперативная память и устройства сопряжения с объектом УСО. Можно использовать несколько УСО в пределах нагрузочной способности ОШ. Для обслуживания более удаленных объектов и сокращения аппаратурных затрат в УСО применяется однопроцессорная структура с местным интерфейсом. Для ее построения в систему ЧПУ вводятся устройство сопряжения интерфейсов, индивидуальные и общие информационные шины ввода и вывода, шины местного интерфейса. Вычислительные ресурсы системы ЧПУ расширяются за счет использования многопроцессорной структуры. Для этого к общей шине главного ведущего микропроцессора дополнительно подключается несколько ведомых, которые решают автономные задачи. Функции ведомых микропроцессоров строго специализированы. Например, управление следящим приводом, электроавтоматикой, дисплеем и т. д. На базе микроЭВМ «Электроника-60» созданы как одно-, так и многопроцессорные системы ЧПУ. Основная модификация системы 2С-42 - однопроцессорная с местным интерфейсом для сопряжения с объектом. Оперативная память системы 16 Кбайт, постоянная память 24 Кбайта. Объект подключен к общей шине через специальный контроллер управления приводами и электроавтоматикой. Вычислительные ресурсы 2С-42 определяются возможностями одной микроЭВМ и для многоцелевых систем ЧПУ они невысоки. Система ЧПУ, состоящая из двух микроЭВМ «Электроника-60», выполняет распараллеленные автономные задачи: управление приводами подачи, обслуживание ввода-вывода и связь с оператором, расчеты общего характера. Связь осуществляется через УСО. Для повышения эффективности микроЭВМ в составе ЧПУ создаются специализированные микроЭВМ с большой разрядностью. Благодаря этому обеспечивается специализация операционного блока применительно к классу решаемых задач, что существенно упрощает программирование обработки. Номенклатура систем ЧПУ на основе микропроцессоров классифицируется по группам комплектуемого оборудования, реализуемым функциональным возможностям, основным техническим параметрам и кратко характеризуется данными, приведенными в таблице 4.1. Устройство числового программного управления при использовании микропроцессорных модулей может реализовать широкий круг новых функций. Основные из них следующие: перенос в УЧПУ большей части функций, которые ранее выполняла аппаратура станка. При этом уменьшается число реле, контактов, соединений, снижается трудоемкость проектирования, изготовления и наладки электрооборудования на заводах, а надежность данного звена системы повышается; доступность до потребителя самостоятельной разработки программного обеспечения задач по управлению электроавтоматикой, первому включению станка, а также для сложных автоматических циклов благодаря введению в системы специального языка пользователя; возможность простого программирования обработки за счет подпрограмм, условных и безусловных переходов в управляющей программе, задания геометрических и технологических параметров; развитый диалог «оператор - система ЧПУ» благодаря использованию дисплея для тестирования, диагностики, редактирования программ, непосредственного программирования обработки детали на рабочем месте и т. п. Это повышает оперативность системы и сокращает время наладки станка на новый тип детали примерно в 1,5 раза при соответствующем увеличении производительности станка; расширенный учет погрешностей кинематики станков, измерительных каналов, возможность автоматизации измерений заготовок и деталей повышает точность обработки и производительность за счет сокращения объема дополнительных операций; задание константами станка оптимальных законов разгона-торможения увеличивает скорость подвода и отвода инструмента к детали; реализация в системах ЧПУ более сложных видов формообразования, в том числе в различных системах координат, Рис. 4.3. Структурная схема системы управления УЦМ-100: БП1...БПЗ -блоки питания: ПРУ - пульт ручного управления развитых циклов резьбонарезания, сверления, расточки и др.; подключение внешних периферийных устройств и их сопряжение с ЭВМ верхнего ранга обеспечивают использование систем ЧПУ в комплексно-автоматизированных линиях, на участках станков с ЧПУ и ГПС. В качестве примера микропроцессорной системы управления оборудованием в ГПС рассмотрим модульную систему УЦМ-100. Систему УЦМ-100, представляющую собой базовую модель семейства агрегатно-модульных устройств циклового управления, комплектуют по заказу потребителя на заводе-изготовителе системы. УЦМ-100 используют для управления различными цикловыми манипуляторами при обслуживании всевозможного технологического оборудования машиностроительных предприятий. Система УЦМ-100 по своей организации находится на одном уровне с управляющими вычислительными комплексами, но за счет ориентации аппаратной и программной частей на управление дискретными технологическими процессами выигрывает перед ними в простоте эксплуатации и более низкой стоимости. Система УЦМ-100 состоит из следующих конструктивно законченных функциональных устройств (рис. 4.3): блока управления, реализующего по программе требуемые алгоритмы управления; блока силового питания привода; пульта ручного управления, выполняющего функции выносной панели управления; программатора, предназначенного для ввода и редактирования программы. Блок управления, строящийся на базе микропроцессорного комплекта КР 580, можно комплектовать модулями ввода-вывода трех типов: ввод дискретной информации с датчиков по 32 каналам; вывод управляющих сигналов по 16 каналам, напряжение переменного тока ПО В (сила тока до 0,5 А); вывод управляющих сигналов по 16 каналам, напряжение постоянного тока 24 В (сила тока до 2 А). Блоки управления различных модификаций отличаются номенклатурой и числом используемых модулей ввода-вывода. УЦМ-100 оснащается развитым программным обеспечением, построенным по модульному принципу с использованием проблемно-ориентированного языка программирования. Основные технические характеристики УЦМ-100. Максимальное число выходов на манипуляторы и технологическое оборудование 64; максимальное число входов.от манипуляторов и технологического оборудования 96; параметры выходных сигналов: напряжение переменного тока 110 В, сила тока до 0,5 А, напряжение постоянного тока 24 В, сила тока до 2 А; параметры входных сигналов: напряжение постоянного тока 24 В, сила тока не менее 10 мА. Вычислитель выполнен на базе микроЭВМ; программоноситель представляет собой интегральное ЗУ (БИС) •с электрической перезаписью информации. Метод программирования -покомандный набор программы на клавиатуре программатора с отображением ее на цифровом табло. Формат кадра — переменный. Объем программы 1024 единичных команды. Программируемые выдержки времени в диапазонах: 0,1...25 с (дискретность 0,1 с), 1..256 с (дискретность 1 с). Напряжение питания 380 В (50 Гц). Потребляемая мощность, кВ-А: блока управления, программатора и пульта ручного управления -0,3, блока силового питания -1,2. Габаритные размеры 540Х435Х XI120 мм. Масса 93 кг. Система УЦМ-100 выполняется в виде напольной стойки блочного типа, состоящей из закопченных блоков управления, силового питания, а также панели включения, расположенной в верхней части устройства. Пульт ручного управления и программатор выполнены выносными, подключенными к стойке при помощи кабелей.
4.1. Системы ЧПУ на основе микропроцессоров и микроЭВМ
Функциональные модули блока управления изготовлены на платах с двусторонним печатным монтажом. Управляюще-вычислительный модуль системы УЦМ-100 представляет собой микроЭВМ, построенную на базе микропроцессорного набора КР 580. На рисунке 4.4 показана структурная схема микроЭВМ на базе КР 580. Внутренний интерфейс ЭВМ содержит: шину данных ШД для двунаправленного обмена информацией между различными составными частями микроЭВМ; адресную шину ША для адресации памяти и периферийного оборудования; управляющую шипу ШУ, которая обеспечивает согласованную работу составных частей микроЭВМ и управляет процессами передачи данных по внутреннему интерфейсу. Информация в микроЭВМ обрабатывается микропроцессором МП типа КР 580 ИК80А. Интегральные микросхемы КР 580 ГФ24 или КР 580 ВГ28 тактируют микропроцессор и управляют внутренним интерфейсом. Генератор тактовых сигналов синхронизм. Рис. 4.4. Структурная схема микроЭВМ на базе микропроцессора для системы управления УЦМ-100 рует работу микропроцессора при помощи двух временных сигналов Ф1 и Ф2, вырабатывает вспомогательные сигналы системного интерфейса, в том числе – системного сброса (СБРОС, запрос прерывания, INT) и системной готовности (RDY). Генератор тактовых сигналов формирует также сигналы приема слова-состояния STSB в системный контроллер, который управляет буфером шины данных процессора и формирует сигналы шины управления. Данные DD-D7 записываются в буферную схему ввода-вывода по сигналу WR на вход DBIN. Для повышения нагрузочной способности адресной шины на выходе адресного тракта микропроцессора АО-А15 включен буфер из шинных формирователей К589АМ6, настроенных на передачу адресной информации от микропроцессора в шину адреса. Блок приоритетных прерываний, выполненный на БИС КР580ВН59, предназначен для управления процессом обслуживания многоуровневых прерываний от различных блоков. КР 580ВН59 обеспечивает обработку восьми сигналов-запросов прерывания. Тем самым программируемый – блок приоритетных прерываний увеличивает пропускную способность системы. При каскадном включении таких микросхем число запросов прерывания можно расширить до 64. Приоритет различных уровней задается программами и может быть «замаскирован» записью соответствующего кода в регистр маски, имеющейся в БИС КР580ВН59. Блок приоритетных прерываний необходим для решения задач по групповому управлению роботами в реальном масштабе времени и по организации связи с ЭВМ верхнего ранга и терминалами. Для этой же цели предназначен таймер формирования временных задержек различного назначения. Таймер содержит три 16-разрядных счетчика и схему управления, задающую программами различные режимы работы: отсчет выдержек времени, деление частоты и т. п. Связь с ЭВМ верхнего уровня организована по каналу последовательной передачи данных. Для этого использованы БИС КР580 ИК51, программируемый связной адаптер, универсальный синхронно-асинхронный передатчик. Настройка на способ передачи осуществляется программированием. Для организации связи по последовательному каналу с удаленными на несколько метров объектами микроЭВМ предусмотрена специальная схема радиального последовательного интерфейса (ИРПС). ИРПС содержит «оптронные развязки» и стабилизатор тока в «петлях» приемного и передающего трактов. Канал ИРПС обеспечивает передачу информации на расстояние до 500 м и со скоростью 9600 бит/с. Модуль связи, предназначенный для связи пульта ручного управления и пульта программатора с модулем микро-ЭВМ, а также для связи устройств УЦМ-100 между собой при работе в технологической линии, имеет четыре последовательных канала связи и обеспечивает выдачу 16 маломощных команд управления. Выходы и входы модуля гальванически развязаны от цифровой части схемы. Число выходов модуля связи 16. Коммутируемое напряжение 24 В при силе тока 0,1 А. Элементы гальванической развязки - тиристорный оптрон АОУ103В, транзисторный оптрон АОТ101АС. Визуальная индикация состояния выходов – светодиодные индикаторы. Число последовательных каналов связи четыре. Информационная емкость ОЗУ, выполненного па БИС малого потребления, 8 байт. Модуль ППЗУ предназначен для хранения управляющих программ потребителя. Его информационная емкость 8 Кбайт. Предусмотрены электрические запись и стирание информации. Время хранения информации при отключенном питании 2000 ч с последующей регенерацией. Тип микросхем - БИС К1601РР1. Тип памяти – для хранения управляющих программ. ППЗУ с ультрафиолетовым стиранием К573РФ1 и электрической перезаписью К1601РР1. Микропроцессор, генератор тактов, системный контроллер и буфер адреса составляют ядро микроЭВМ. Рассмотренная структура микроЭВМ является проблемно-ориентированной и может быть использована при построении устройств управления роботами, а также другими объектами в реальном масштабе времени. Проблемная ориентация достигается за счет применения БИС микропроцессорного набора соответствующей функциональной номенклатуры и комплектования ОЗУ и ПЗУ необходимой информационной емкости. Модуль микроЭВМ предназначен для ввода информации от датчиков состояния оборудования, цифровой обработки информации, выдачи управляющих воздействий на исполнительные устройства в соответствии с управляющей программой, обмена информацией с пультом ручного управления, пультом программатора и УВК более высокого ранга, храпения системного математического обеспечения и программы пользователя. Тип процессора - БИС КР580ИК80А. Разрядность шины адреса 16, разрядность шины данных восемь. Число линий приоритетных прерываний восемь. Тактовая частота 2 МГц. Объем информационной памяти ППЗУ составляет 8 Кбайт, ОЗУ - 8 Кбайт. Элементная база ППЗУ - БИС К573РФ1, ОЗУ – БИС К537 РУ2А. Предусмотрены таймер БИС КР580ВН53 и канал последовательной связи БИС КР580ВВ51 со схемами согласования с линией связи. Модули ввода-вывода дискретных технологических сигналов функционально состоят из двух узлов сопряжения: с цепями ввода или вывода; с внутренним интерфейсом системы. На рисунке 4.5 показана структурная схема модуля ввода для микропроцессорной системы управления. Сопряжение с цепями подключения датчиков осуществляется через RC-цепи и оптронные развязки. RC-цепи используют для подавления низкочастотных помех, дребезга контактов и ограничения входного тока. Оптронные гальванические развязки повышают общую помехоустойчивость системы. Для визуального оперативного контроля состояния датчиков предназначены светодиоды. Сопряжение с внутренним интерфейсом системы осуществляется при помощи программируемого периферийного адаптера (ППА) на БИС КР580ИК55. Сигнал выборки данного модуля формируется селектором, на входы которого Рис. 4.5. Структурная схема модуля ввода для микропроцессорной системы управления: 1 — RC-цепочкн; 2 — оптромные развязки; 3 — микропереключатели установке номера модуля; 4 — селектор; 5 — модуль ввода дискретных сигналов с шины адреса процессора поступает номер опрашиваемого модуля ввода. Селектор сравнивает этот номер с номером, устанавливаемым на переключателях набора номера данного модуля, и в случае их совпадения подключает ППА к шине данного модуля. Прием информации адаптером ППА осуществляется через два порта РА и РВ, запрограммированных на ввод, посылкой в ППА специального управляющего слова. Содержимое портов РА и РВ на тину данных передается выполнением операции чтения RD. Адресные входы ао и А определяют помер порта, старшие разряды адреса обеспечивают выбор опрашиваемого модуля ввода. Запись управляющего слова осуществляется по импульсу WR при Ао=А=1. Модуль вывода с внутренним интерфейсом системы связан также при помощи ППА, который настраивается на •вывод информации с шины в порты А и В. Дискретные сигналы управления на приводы робота и оборудование выдаются через оптронные развязки и выходные усилители. В модулях вывода, работающих на постоянном токе, в качестве ключей используют мощные транзисторы, а работающих на переменном токе,— тиристорные схемы. Модуль ввода обеспечивает гальваническое разделение цепей датчиков и цифровой части схемы, преобразование уровня напряжения, поступающего от датчиков, в сигналы ТТЛ-логики. Число входов модуля 32. Входное напряжение 24 В. Элемент гальванической развязки — транзисторный оптрон АОТ101АС. Визуальная индикация состояния входов — светодиодные индикаторы. Модуль вывода, обеспечивающий гальваническое разделение цифровой части схемы и цепей управления, а также защиту коммутационных элементов от коротких замыканий, предназначен для хранения, преобразования, усиления сигналов и коммутации нагрузок. Число входов 16. Коммутируемое напряжение: исполнение 1 — 11О В в цепях переменного тока при силе тока 0,5 А, исполнение 2—24 В в цепях постоянного тока при силе тока 2 А. Элемент гальванической развязки — тиристорный оптрон АОУ10ЗВ. Визуальная индикация состояния выходов — светодиодные индикаторы.
|