Файл: 1. Отличительные особенности управления оборудованием с помощью систем чпу.pdf

1.
Отличительные особенности управления оборудованием с помощью систем ЧПУ.
Принципиальное отличие станка с ЧПУ от обычного автомата заключается в задании программы обработки детали в математической
(числовой) форме на специальном программоносителе. Отсюда и название – числовое управление.
УЧПУ – устройство ЧПУ.
УП – управляющая программа.
ДX, ДZ – двигатели приводов подачи.
ДОСХ, ДОСZ – ДОС по осям Х и Z.
Рассматривая даже такую простую схему станка с ЧПУ, можно заметить ряд особенностей числового метода задания программы:
1) В СУ нет элементов (кулачков, толкателей, копиров), износ или точность изготовления которых могли повлиять на точность обработки детали.
2) Отсутствует необходимость длительной переналадки (перестройки) станка при переходе на новую деталь.
3) Возможна автоматизация обработки сколь угодно сложной детали.
4) Возможно многостаночное обслуживание и создание АЛ из станков с ЧПУ.
5) В связи с тем, что задание программы производится в числовом виде, подготовка производства для станков с ЧПУ осуществляется в сфере инженерного труда, что имеет большое социальное значение.
6) Обеспечивается сокращение сроков подготовки и авиационной промышленности.
В соответствии с ГОСТ 20523-80-Термины:
- Устройство ЧПУ (УЧПУ) – это устройство, алгоритмы работы которых реализуются с помощью программ, вводимых в его память, и могут быть изменены после изготовления устройства.
- Система ЧПУ (СЧПУ) – совокупность функционально взаимосвязанных и взаимодействующих технических и программных средств, обеспечивающих ЧПУ станком.
2.
Классификация устройств ЧПУ.
1.По виду металлорежущего станка, которым управляет УЧПУ:
- для токарных
- для фрезерных
- для сверлильных
- для координатно – расточных (самые точные)
- для шлифовальных
- для электроэрозионных (должна быть предусмотрена защита от помех)
2. По виду и количеству движений (управляемых координат), определяющих геометрию детали:
3. По виду программоносителя:
- с управлением от перфоленты;
- с управлением от магнитной ленты;
- с ручным вводом управляющей программы (УП) при помощи пульта оператора (оперативное УЧПУ).
4. По способу управления движениями станка:
- позиционные;
- контурные;
- универсальные;
3.
Основные функции и задачи управления компьютерных УЧПУ.
Появились в начале 80-х годов.
Обычные аппаратные УЧПУ осуществляют процесс обработки с помощью циклического ввода управляющей программы. Функции управления таких систем неизменны и определяются электронными логическими схемами, заложенными в систему.
Компьютерное ЧПУ обладает свойством приспособляемости за счёт замены неизменных логических схем на ЭВМ. При проектировании компьютерного устройства ЧПУ стремятся бóльшую часть аппаратурного монтажа обычных систем заменить программным обеспечением.
Компьютерное устройство ЧПУ рассчитано на подсоединение нескольких станков с ЧПУ к одной центральной ЭВМ, которая содержит библиотеку управляющих программ и задаёт последовательность обработки детали. Такие системы объединённые центральной
ЭВМ получили название систем DNC.
Перечислим основные функции компьютерных устройств ЧПУ:
1. редакция управляющих программ,
2. программирование на рабочем месте,
3. параметрическое программирование (задание чисел по именам),
4. стандартные циклы,
5. выполнение функций электроавтоматики станка,
6. диагностический контроль систем управления и станка,
7. компенсация погрешностей ходовых винтов и направляющих станка,
8. автоматический контроль размеров детали,
9. регистрация информации о работе станка,
10. обмен информацией с ЭВМ высшего ранга,
11. адаптивное управление.

4.
История развития компьютерных УЧПУ.
Система числового программного управления (СЧПУ) представляет собой совокупность устройства числового программного управления
(УЧПУ), устройства управления электроавтоматикой станка (программируемый контроллер), устройства управления приводами подач и датчиков обратной связи.
УЧПУ – устройство, выдающее управляющие воздействия на исполнительные органы станка в соответствии с управляющей программой и информацией о состоянии управляемого объекта.
Поколения систем ЧПУ
История развития устройств ЧПУ неразрывно связана с системами ЧПУ, в состав которых они входят.
Системы ЧПУ первого поколения
Системы ЧПУ первого поколения имели элементную базу на дискретных элементах - реле и транзисторах с низкими частотными параметрами.
Ввод программы в этих системах осуществлялся на магнитной ленте в унитарном коде или в фазовом виде.
Моделями устройств ЧПУ первого поколения являются ПРС1-58, ПРС-ЗК, К-4МИ. В то же время в устройствах ЧПУ первого поколения К2П-
67, КЗП-68, УМС-2 ввод программы осуществлялся уже на пятидорожечной перфоленте (код БЦК-5).
Системы ЧПУ второго поколения
Системы ЧПУ второго поколения имели элементную базу малой (серия 155) и средней (серия 176) степени интеграции с более высокими частотными характеристиками, с помощью которых осуществлялась схемная реализация алгоритмов управления.
К моделям устройств ЧПУ второго поколения можно отнести Н22, НЗЗ, Н55, П-33, «Размер 2». В устройствах ЧПУ второго поколения Н22,
НЗЗ ввод программы осуществлялся на восьмидорожечной перфоленте (код ISO 7).
Системы ЧПУ третьего поколения
Системы ЧПУ третьего поколения создавались на базе микроЭВМ («Электроника-60», «Электроника НЦ-03» и др.), БИС (серия 589 и др.).
Эти системы ЧПУ имели расширенные технологические возможности, осуществлялась программная реализация алгоритмов управления. В устройствах ЧПУ третьего поколения ввод программы осуществлялся как на перфоленте, так и с помощью клавиатуры. Системы ЧПУ начинают оснащаться дисплейно-диалоговыми системами задания управляющей программы (УП) с графическим отображением детали на экране. Появляются оперативные системы ЧПУ, на которых программирование простых деталей может осуществляться непосредственно на станке с использованием типовых циклов.
Устройства Н22-1М, Н33-1М, Н33-2М, Н55-1, Н55-2 являются первыми устройствами контурного и комбинированного управления третьего поколения, они были предназначены для токарных и фрезерных станков с автоматической сменой инструментов.
Системы ЧПУ четвертого поколения
Для систем ЧПУ четвертого поколения характерно блочное мультипроцессорное исполнение. В качестве элементной базы используются специальные БИС и микроЭВМ. Программирование технологических функций и диалоговых режимов осуществляется на языках высокого уровня.
К моделям устройств ЧПУ четвертого поколения можно отнести «Электронику МС2101», 3С100, 3С200. В устройствах ЧПУ четвертого поколения ввод программы осуществлялся электронной кассетой или кассетой на цифровых магнитных доменах.
В связи с большим расширением технологических возможностей УЧПУ практически стерлась грань между контурными и позиционными видами ЧПУ и произошел переход к универсальным (контурно-позиционным) устройствам. Увеличилось число управляемых координат станка, причем взаимосвязь их в работе может быть одновременной и последовательной в любых комбинациях.
Конструктивно УЧПУ реализуют по-разному. Чаще всего это устройство устанавливается к станку как отдельный элемент в виде шкафа
(стойка) с различными панелями и целевыми устройствами на лицевой стороне. Некоторые УЧПУ монтируют как подвесные пульты управления станком или встраивают в какой-либо агрегат станка с выводом панели в необходимую сторону.
Системы ЧПУ пятого поколения
Системы ЧПУ пятого поколения создаются на базе промышленных персональных компьютеров. В этих системах ЧПУ реализуются все современные достижения, свойственные персональным компьютерам, включая языки программирования; программно-математическое обеспечение; системы ввода, хранения и обмена информации; возможность структурного изменения; возможность выполнения функций самонастройки и адаптации и др.
5.
Состав УЧПУ типа CNC.
- CNC (Computer Numerical Control) – устройство ЧПУ, содержащее в своём составе
ЭВМ или процессор для выполнения основных функций управления.
Состав устройства ЧПУ типа CNC.
1. центральный блок устройства ЧПУ,
2. панель управления,
3. монитор,
4. клавиатура,
5. контроллер монитора,
6. интерфейс связи центрального компьютера с монитором,
7. центральный компьютер,
8. процессор,
9. ОЗУ (оперативное запоминающее устройство),
10. ПЗУ (постоянное запоминающее устройство),
11. удалённые контроллеры, 12. приводной контроллер,
13. контроллер управления электроавтоматикой,
14. контроллер связи с ЭВМ верхнего ранга,
15. канал связи со станком,
16. связь со внешними устройствами (например, принтером).
Детализируя основные функции компьютерных устройств ЧПУ можно выделить четыре главные задачи
управления:
1. управление формообразованием (геометрическая задача),
2. взаимодействие устройства ЧПУ с оператором (терминальная задача),
3. управление электроавтоматикой станка (логическая задача),
4. управление рабочим процессом станка (технологическая задача).

6.
Управление формообразованием детали.
Формообразование детали сводится к отображению геометрической информации чертежа на деталь посредством совокупности движений станка. Формообразующее движение воспроизводится обычно следящими приводами подачи, которые расположены так, что они соответствуют координатной системе станка. Управляющая программа состоит из отдельных кадров, каждый из которых содержит описание очередного элементарного участка.
Последовательная активизация кадров, сопровождающаяся выдачей управляющих воздействий на исполнительные приводы станка, приводят к обходу запрограммированного контура от одной опорной точки к следующей.
Во избежание приостановки подачи на стыке двух элементарных участков, то есть в момент активизации очередного кадра, этот очередной кадр должен быть заранее подготовлен к оперативным расчётам и обработке. В таком подготовленном виде кадр называют буферным. Любой кадр управляющей программы в конце концов становится буферным, а затем рабочим.
Информация рабочего кадра укрупнённо описывает траекторию, которую необходимо воспроизвести на станке. Вычислительную процедуру устройства ЧПУ, обеспечивающую переход от укрупнённого описания заданного перемещения к оперативным командам для исполнительных приводов в функции реального времени называют интерполяцией.
Интерполяция осуществляется над целыми числами, каждая единица которых соответствует наименьшему перемещению или углу поворота рабочего органа станка. Такое минимальное перемещение трактуют как дискретность отсчёта перемещения.
Практически интерполяцию в компьютерных УЧПУ организуют следующим образом: В каждом периоде таймера, работающего с постоянной частотой, рассчитывают числа дискрет ∆x и ∆y, которые в этом периоде должны быть отработаны приводами подач по координатам x и y. Числа дискрет ∆x и ∆y называют приращениями координат за период таймера.
Простое округление привело бы к накоплению ошибок, т.е. отклонению от заданной траектории, поэтому приращение координат, подготовленное к выдаче в приводы подачи в очередном периоде таймера, округляют до целых чисел, а дробные остатки накапливают и учитывают в последующих периодах.
В этой связи картина выдачи приращений в приводы от периода к периоду неравномерна, что проявляется в виде небольших (не более 1 дискреты) скачков мгновенных скоростей по координатным осям.
Однако средние скорости по координатным осям за все время отработки кадра математически точно равны средним значениям.
В технологически сложных задачах в процесс интерполяции может быть введено от 5 до 6 управляющих координат.
Основные виды 5-ти координатных интерполяций
а) Обработка торцем фрезы б) Обработка периферией фрезы в) Обработка торцовой частью фрезы
М(X,Y,Z) – точка контура обработки
М(X1,Y1,Z1) – точка поворота инструмента
Для реализации многокоординатного формообразования к 3-м основным приводам подачи в декартовой координатной системе должны быть добавлены приводы подач поворотных фрезерных головок, столов и т.п.
7.
Передача информации в компьютерных УЧПУ.
Модули вычислителя связаны между собой через локальную магистраль. Системная магистраль может повторить локальную, может являться упрощенным вариантом локальной магистрали, может отличаться от локальной магистрали. В зависимости от этого адаптер магистрали выполняет соответственно одну из трех функций:
- Служит для повышения мощности локальной магистрали с целью подключения объектно зависимых модулей ЧПУ.
- Выделить системную магистраль из локальной.
- Преобразует правило передачи сообщений по локальной магистрали в правило передачи сообщения по системной магистрали.
К объектно зависимым модулям относятся следущие:
- Контроллер электроавтоматики, осуществляющей ввод сигналов от конечных и путевых выключателей, датчиков параметров и т.д поступивших со стороны станка и вывод управляющих сигналов к цикловым механизмам станка
-Контроллер привода подачи, осуществляющей вывод управляющего сигнала к контуру скорости, который обрабатывает внешний контур следящего привода подачи.
- Контроллер ДОС, осуществляющий ввод сигнала обратной связи в главном контуре положения следящего проивода подачи.
Совокупность схемотехнических, программных и конструктивных средств потдерживающих в системе межмодульное взимодействие называют магистральным интерфейсом При построение интерфейсов придерживаются стандартов. Связь между двумя подключенными к магистрали устройствами осуществляется по принципу «ведущий-ведомый».
11.
Объектно-зависимые контроллеры приводов подачи.
Структура связи привода подачи с УЧПУ может быть представлена в одном из 3-х вариантов:
1) С регулятором положения в модуле процессора
2) С регулятором положения во внутреннем контроллере привода
3) С регулятором положения в удаленном контроллере привода
Схема связи следящего привода с регулятором положения в модуле процессора
Схема связи следящего привода с регулятором положения во внутреннем контроллере привода
Схема связи следящего привода с регулятором положения в удаленном контроллере привода
В 1-ом случае управляющий сигнал по скорости электро привода формирует процессор одновременно он выполняет функции регулятора положения. Сигнал обратной связи поступает в процессор при помощи контроллера ДОС. Недостаток данной схемы – перегруженность системной магистрали сигнилами обратной связи.
Кроме того чтобы соеденить процессор с приводами, требуется смонтировать на станке большое колличество достаточно длинных проводов. Их защита от внешних помех представляет собой тихнически сложную задачу. Во втором случае сигнал по скорости электропривода
Формирует контроллер привода, а процессор задает лишь сигнал по положению функции контроллера привода в этом случае шире за счет включения в его состав регулятора положения таким образом ввод сигналов обратной связи в регулятор положения. В этом случае не требуется привлечения системной магистрали. Недостаток схемы – необходимость применения защищенной от внешних помех параллельной шины,
Соединяющей контроллер привода с системной магистралью. Наибольшая длинна параллельной шины 1 – 1,5 м.
В 3-м случае контроллер перемещения находится непосредственно вблизи электропривода и по ??? к УЧПУ является удаленным внешним устройством. Его связь с ЧПУ осуществляется по средствам последовательного ??? канала, который представляет собой витую пару проводников их можно прокладывать на растояния более 100 метров и они не нуждаются в особой защите от внешних помех.
Объектно зависимые контроллеры электро автоматики Построение контроллера ввода вывода сигналов электроавтоматики определяется вариантом системы электро автоматики

12.
Языки программирования ПЛК. Язык FBD, структура проекта.
Программирование ПЛК происходит с помощью специальных IDE-программ. Программа пишется на одном из пяти языков программирования:
1.
LD (Ladder Diagram) — язык релейных схем — самый распространённый язык для ПЛК.
2.
FBD (Function Block Diagram) — язык функциональных блоков.
3.
SFC (Sequential Function Chart) — язык диаграмм состояний.
4.
IL (Instruction List) — ассемблероподобный язык.
5.
ST (Structured Text) — паскалеподобный язык.
Язык FBD
Язык FBD (Functional Block Diagram, Диаграмма Функциональных Блоков) является языком графического программирования, так же, как и LD, использующий аналогию с электрической (электронной) схемой. Программа на языке FBD представляет собой совокупность функциональных блоков
(functional flocks, FBs), входа и выхода которых соединены линиями связи (connections). Эти связи, соединяющие выхода одних блоков с входами других, являются по сути дела переменными программы и служат для пересылки данных между блоками. Каждый блок представляет собой математическую операцию (сложение, умножение, триггер, логическое “или” и т.д.) и может иметь, в общем случае, произвольное количество входов и выходов. Начальные значения переменных задаются с помощью специальных блоков – входов или констант, выходные цепи могут быть связаны либо с физическими выходами контроллера, либо с глобальными переменными программы. Пример фрагмента программы на языке FBD приведен на рис. 2.
Практика показывает, что FBD является наиболее распространенным языком стандарта IEC. Графическая форма представления алгоритма, простота в использовании, повторное использование функциональных диаграмм и библиотеки функциональных блоков делают язык FBD незаменимым при разработке программного обеспечения ПЛК. Вместе с тем, нельзя не заметить и некоторые недостатки FBD. Хотя FBD обеспечивает легкое представление функций обработки как «непрерывных» сигналов, в частности, функций регулирования, так и логических функций, в нем неудобным и неочевидным образом реализуются те участки программы, которые было бы удобно представить в виде конечного автомата.

16.
Особенности синтеза релейно-контактных систем управления.
В настоящее время системы управления на электромеханических реле применяются редко. Вместе с тем языки релейно-контактных схем широко распространены при программировании логических контроллеров. Это объясняется тем, что релейные структуры имеют определенные преимущества перед схемами на бесконтактных логических элементах. В частности, в релейных схемах легче анализировать последовательность протекания автоматического цикла, обнаруживать явления «гонок», «состязаний» и др.
Таким образом, релейно-контактный вариант системы управления можно рассматривать как промежуточную модель, которую затем легко перевести на бесконтактные логические элементы.
Синтез релейно-контактных систем управления имеет свои особенности, которые мы рассмотрим на примере дискретной системы управления гидрофицированной агрегатной головкой (рис. 5.38).
Автоматический цикл управления агрегатной головкой имеет следующую последовательность:
A→B Быстрый подвод
B→C Рабочая подача
C→A Быстрый отвод
Рис. 5.38. Гидрофицированная агрегатная головка: Ц – гидравлический цилиндр; Др – дроссель; А, В, С – путевые выключатели
Рис. 5.39. Первоначальная схема системы управления гидрофицированной агрегатной головкой
Направление движения агрегатной головки можно задавать с помощью гидравлического распределителя (сигнал х), причем движения штока цилиндра Ц вперед и назад ограничены жесткими упорами.
Для регулирования скорости рабочей подачи предусмотрен дроссель Др, который во время быстрых перемещений шунтируется другим гидравлическим распределителем (сигнал у).
Чтобы предотвратить в дискретной системе управления состязания цепей, целесообразно на первоначальном этапе синтеза использовать импульсные логические функции в сочетании с запоминающими элементами в виде статических RS-триггеров (рис. 5.39).
17.
Архитектурные варианты компьютерных УЧПУ.
1) Однопроцессорные УЧПУ
В структуре УЧПУ рассматривается два фрагмента:
-объектно-независимый ведущий вычислитель
-объектно-зависимая часть, состоящая из специфичных для ЧПУ контроллеров(приводов подач, главного движения, электроавтоматики, связи с пультом оператора и т.д.).
В памяти ПЗУ хранится системное программно-математическое обеспечение, в памяти ОЗУ размещается управляющая программа.
Кроме этого эта память используется в текущих вычислениях.
Рассмотренному архитектурному варианту отвечают компьютерные УЧПУ первого поколения (серии 2У, 2С, 2Р). В них применялся
16-разрядный процессор с быстродействием 250-500 тыс. операций в секунду, емкость памяти до 128 Kb.
Указанные ограничения устанавливают общность применения подобных устройств: сравнительно простых двух- и трехкоординатные станки с ЧПУ с несложной электроавтоматикой (с общим числом входов/выходов около 256). Для повышения производительности процессора возможно применение аппаратного модуля умножения. В микропроцессорах целесообразно применения арифметических сопроцессоров.
2)Многопроцессорные (мультипроцессорные) УЧПУ
Мультипроцессорная архитектура реализуется в двух вариантах:
- Сосредоточенная структура
- Рассредоточенная струтура а) Сосредоточенная структура УЧПУ (электроника МУ31)
Чтобы устранить недостатки системы а) применяют б)УЧПУ с распределенной структурой
Каждый вычислитель содержит операционную систему.
Различие рассредоточенной и сосредоточенной структур следующее:
1. В распределенном многомашинном комплексе каждая машина имеет свою операционную систему, а в сосредоточенной системе ОС одна общая.
2. Обмен данными между машинами в рассредоточенной системе менее интенсивен, чем между процессорами в сосредоточенной структуре.
3.Каждая машина в рассредоточенной системе имеет свой собственный внешний интерфейс периферии, объекта управлении, средствам управления более высокого ранга.
4.Машины в распределенной системе не могут иметь общей обменной памяти, для ее коллективного использования всеми машинами.
5. В распределенной системе допустимо большое пространственное распределение машин, которые приближены к своим объектам и образуют вместе с ними мехатронные модули.
Вычислитель, объединенный с интерфейсом объекта, образует интеллектуальный контроллер, они особенно эффективны для цифровых электроприводов.