METHOD / Прогаммирование ЧПУ / Программное управление станками

заготовки. Если такому направлению соответствуют две оси (Х, У), то за ось Х принимают ту, вдоль которой возможно большее перемещение узла станка. Круговые перемещения вокруг осей обозначает буквами А (вокруг оси Х),

В (вокруг оси У), С(вокруг оси Z), причем положительное вращение против часовой стрелки, если смотреть со стороны положительного направления оси. Начало СКС ISO рекомендует помещать в такую точку, в которой все перемещения рабочих органов станка могли описываться положительными координатами. Например, системой координат токарного станка служит двухкоординатная система ХУ (рис.1.9) начало которой находится в центральной точке фланца шпинделя.

Puc.1.9 СКС токарного станка.

Следует отметить, что начало СКС определяется взаимодействием жестких упоров и концевых выключателей. Например, для токарных станков с УЧПУ 2Р22 начало СКС определяется через специальную точку – фиксированное положение (ФП) (рис.1.10). После включения станка система отсчета УЧПУ рассогласована с СКС – датчики положения суппорта генерируют случайные величины.

Puc.1.10 Определение начала СКС через ФП

Служебной программой «Выход в ФП» обеспечивается движение по двум направлениям: +Х и – Z, с целью определения базовой точкой К, инструментальной головки 1, начала СКС. За базовую точку К условно принимаем угол инструментального гнезда инструментальной головки, определенного базирующими плоскостями А и В. На линейках суппорта установлены упоры 2, один – на замедление движения, другой – на останов (на рис. 1.10 условно показан один упор), которые при поперечном перемещении суппорта воздействуют на электромеханические выключатели 3 , останавливая плоскость А на диаметре D. Величина D записывается в память УЧПУ в виде «параметра № 1» , определяя

- 11 -

нулевую точку по оси Х. Необходимо отметить, что координаты по оси Х для станков с ЧПУ удваиваются на диаметр. Аналогично движение суппорта в продольном направлении определяет плоскостью В нулевую точку по оси Z.

На рис.1.11 показана СКС сверлильного, станка с револьверной головкой, типа 2Н185. Деталь устанавливается на столе 1, при этом вертикальная подача F осуществляется перемещением револьверной головкой 2. При движении в положительном направлении инструмент должен удаляться от заготовки на столе, следовательно ось Z будет направлена вверх.

На рис.1.12 показана СКС многооперационного станка типа ИР500, где 1 стол станка и 2 колонна. Для этого станка движение подачи F, параллельно оси шпинделя 4, осуществляется перемещением колонны 2 со шпиндельной бабкой 3, чем обусловлено направление оси Z.

Рис. 1.11 СКС станка 2Н185Ф2

Рис.1.12 СКС станка ИР500

На рис.1.13 показана СКС расточного станка типа 2636ГФ2. Для этого станка движение подачи в горизонтальной плоскости осуществляется перемещением стола 1 параллельно оси шпинделя - ось Z и перпендикулярно - ось X. Движение шпиндельной бабки 2 по направляющим колонны, выполняется по оси Y.

На рис.1.14 показана СКС карусельного станка типа 1А525МФ3. Для этого станка характерно движение подачи в плоскости XZ. Ось стола станка 1 несущего заготовку - ось Z. Движение подачи по оси Z - перемещение траверсы 3 по направляющим колонны с суппортом 2, а по оси X - движение суппорта по направляющим траверсы.

Рис. 1.13 СКС станка 2636ГФ2

Рис.1.14 СКС станка 1А525МФ3

- 12 -

На рис.1.15 показана СКС вертикально-фрезерного станка типа ГФ2171. Крестовый стол 1, выполняет перемещение в горизонтальной плоскости по направлениям осей XY. Вертикальная подача осуществляется движением гильзы шпинделя 2.

На рис.1.16 показана СКС многооперационного станка типа 2254МФ4. Крестовый стол 1 - плоскость XY и перемещение шпиндельной бабки 2 по оси Z, обеспечивают обработку деталей на этом станке.

Рис. 1.15 СКС станка ГФ2171

Рис.1.16 СКС станка 2254ВМФ4

2. Системы ЧПУ станков

Основным фактором, обусловившим необходимость создания и развития станков с программным управлением, была потребность автоматизации обработки в средне и мелкосерийном производствах. Однако создание на основе ЭВМ управляющих комплексов многооперационными станками, сделало эффективным применение средств ЧПУ и в крупносерийном производстве.

Определяющим фактором в развитии УЧПУ является электроника. Первые УЧПУ, выполняли на полупроводниковых элементах. Значительное ускорение в развитии, системы ЧПУ получили с применением элементов малой и средней интеграции, а затем с использованием микроЭВМ на микропроцессорной основе. На ряду с элементной базой совершенствовались также приводы станков и общая структура УЧПУ. Моральное старение УЧПУ наступает быстрее, чем станков. Практически УЧПУ претерпевают существенные изменения каждые 3

– 4 года, в то время как конструкции станков за этот период лишь незначительно модифицируются, а сроки их морального старения в 2 – 2.5 раза больше. Современные УЧПУ характеризуются мощным пользовательским интерфейсом когда создание и контроль УП приближается к САП, реализованным на ПК. Это обуславливает их высокую стоимость и вследствие этого можно предположить переход к сетевым технологиям, когда многие функции УЧПУ станков, возьмет на себя ЭВМ установления в технологическом отделе. Если ранее в системах УЧПУ алгоритмы управления реализовывались конструкцией схемы, то в современных системах эти алгоритмы определяет программное обеспечение (ПрО). Можно сказать что грани между аппаратной частью различных по назначению УЧПУ стираются, а их различие переходит в область ПрО. Это

- 13 -

создает гибкость систем УЧПУ, позволяет быстро реагировать на изменяющуюся конъюнктуру рынка.

2.1 Классификация УЧПУ по уровню вычислительных возможностей.

В соответствии с международной классификацией, все УЧПУ делятся на основные классы:

NC - Numerical Control

SNC - Stored Numerical Control CNC - Computer Numerical Control DNC - Direct Numerical Control

Системы класса NC созданы на основе счетно-решающих аналоговых устройств, в следствии чего имеют “жесткую” архитектуру адаптированную к конкретной модели станка, как правило на основе шагового привода. При

каждом цикле обработки заготовки, УП считывается по кадрам - один отрабатывается, другой записывается в буферное запоминающее устройство. При таком режиме работы, значительные нагрузки на считывающее устройство и материал программоносителя, поэтому нередко возникают сбои системы.

Системы класса SNC сохраняют все свойства класса NC но отличаются от них увеличенным объемом памяти

Системы класса CNC выполнены на основе микроЭВМ и позволяют создавать УЧПУ совмещающие функции управления станком (как правило с приводами на основе двигателей постоянного тока) и решения отдельных задач подготовки УП. Особенность систем данного класса заключается в возможности изменять и корректировать в период эксплуатации, как УП обработки детали, так и свойства функционирования самой системы, в целях максимального учета особенностей модели, данного станка. В запоминающее устройство системы CNC, УП вводится полностью, с программоносителя или в режиме диалога с ПУ станка.

Системы класса DNC сохраняют все свойства класса CNC и при этом имеют возможность обмена информацией с центральной ЭВМ обслуживающей группу станков, производственный участок или цех.

2.2 Блок - схема УЧПУ

Современные УЧПУ (класса CNC, DNC) реализуются на базе микропроцессорных вычислительных машин и характеризуются аппаратными средствами и ПрО. Микропроцессорная техника создала возможность блочной унификации управляющих систем для различных групп станков, с одновременным расширением технологических функций управления. Рассмотрим структуру УЧПУ станка, куда входят следующие блоки (рис.2.1).

1. МикроЭВМ, которая в совокупности с необходимым ПрО, реализует заданный алгоритм работы станка. Ее стандартная архитектура включает следующие субблоки.

ЦП – центральный процессор, обслуживает внешние устройства ввода – вывода, вычисляет траекторию и скорость перемещения подвижных органов станка, решает задачи управления приводами, организует выполнение стандартных технологических циклов, осуществляет ввод и редактирование УП.

- 14 -

ОЗУ – как правило с сохранением информации после отключения электропитания на ограниченный срок (3 – 4 дня), за счет энергии специального аккумулятора. Предназначено для хранения УП, разработанной технологом – программистом, значений размерной привязки инструмента (величин корректоров), смещение нулей и пр.

Puc. 2.1 Блок-схема УЧПУ.

Часть ОЗУ, ЦП использует для временного хранения промежуточных данных при проведении вычислений.

Основной недостаток ОЗУ – это энергозависимость. Хранимая в нем информация теряется даже при кратковременных сбоях электропитания. Поэтому во всех ЭВМ используется не только ОЗУ, но и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), которое не теряет информации при выключении питания.

ПЗУ – это устройство, в котором информация записана раз и навсегда в процессе изготовления самой БИС. Предназначено для хранения основной части ПрО, запись которой выполняется на заводе – изготовителе систем ЧПУ.

Станкозавод оставляет за собой право изменить и модифицировать станки в процессе производства. Например, тип приводов станка, 6 или 12 позиционная резцовая головка, ось которой имеет вертикальное и горизонтальное направление и пр.

ППЗУ (программируемые постоянные запоминающие устройства) предназначены для записи той части ПрО, которая учитывает эти особенности. В такое устройство, во все ячейки памяти на заводе – изготовителе микросхем записывается 1. Для записи информации, например в заводской лаборатории станкозавода, на специальных стендах импульсами тока, записываются 0, так чтобы комбинации 0,1 соответствовали математической модели ПрО. В настоящее время в конструкциях систем ЧПУ, все большее предпочтение отдается СППЗУ – стираемое перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство, запись и стирание информации, в которое может производиться на сравнительно простой установке, в условиях лаборатории завода, где установлен станок с данной системой ЧПУ. МикроЭВМ, с помощью test программы постоянно контролирует работу всех блоков УЧПУ, а также свою собственную исправность.

- 15 -

2.Канал обмена информацией - типа «общая шина».

Канал обмена информацией является простой быстродействующей системой связей, соединяющий центральный процессор, память и все внешние устройства (ВУ). Канал состоит из нескольких десятков линий связи, часть из которых двунаправленные. Это означает, что по одним и тем же линиям информация может, как приниматься, так и передаваться. Связь между двумя устройствами, подключенными к каналу, осуществляется по принципу «управляющий – управляемый» (активный – пассивный). Типичным примером таких отношений является ЦП, как активное устройство, выбирающее команды из памяти. Другим примером может служить блок связи с устройством внешней памяти (ВП) контролер которого управляет считыванием или записью информации в ОЗУ. Связь через канал замкнута, т. е. на управляющий сигнал передаваемый активным устройством, должен поступить ответный сигнал от пассивного устройства, что повышает надежность работы системы.

При работе системы ЧПУ, может сложиться такая ситуация, когда два блока выставили в канал электрические сигналы (цифровой код из 0,1) определенные как «запрос на обслуживание блока центральным процессором» (ЦП). В этом случае вступают в силу правило приоритетов. Наивысшим приоритетом обладают запросы от пульта управления (ПУ) и сигналы о сбоях в системе. Самый высший приоритет у сигналов блокировки - «стоп шпинделя», «стоп подачи».

3.Блоки Входных и Выходных сигналов предназначены для связи УЧПУ с электроавтоматикой станка. При необходимости передать команду на станок, ЦП выставляет в канал адрес блока выходных сигналов – двоичное число. Блок выходных сигналов принимает запрос и инициализирует сигнал готовности к приему. ЦП начинает передавать информацию, а выходной блок принимать ее. В результате этой операции, на одном из выходов блока выходных сигналов появляется управляющее напряжение. Ответ об исполнении команды принимает блок входных сигналов и передает его на ЦП. Например, с УП считана команда «включить охлаждение» (М08). На одном из выходов блока выходных сигналов, появляется напряжение 18...24V, достаточное для питания катушки реле включения двигателя насоса охлаждения. Если двигатель включился, то на входной блок поступает сигнал об этом, а в канал и на ЦП генерируется числовой код об исполнении команды. Таким образом, управление выполняется по замкнутой схеме (команда – ответ об исполнении), что повышает надежность работы станка. Кроме этого, на входы блока входных сигналов, поступает информация от датчиков температуры, давления, положения ограждения рабочей зоны и пр. ЦП автоматически, согласно алгоритма test программы, периодически (с интервалом 10 ÷15мкс) опрашивает состояние этих сигналов.

4.Цифровоаналоговый преобразователь (ЦАП).

Служит для преобразования числа в пропорциональную аналоговую величину – непрерывный сигнал в виде электрического напряжения. В системах ЧПУ управления приводами станка, осуществляется двумя ЦАП – по скорости и по перемещению. Принцип преобразования заключается в том, что каждый разряд двоичного числа, работает как ключ, соединяющий резисторы с источником питания.

- 16 -

Выходное напряжение, равно сумме напряжений на резисторах, с учетом коэффициентов зависящих от разряда двоичного числа. Точность представления кода двоичным числом, зависит от точности изготовления резисторов, стабильности источника питания и ряда других параметров.

5.Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП)

АЦП – служит для преобразования аналогового сигнала (например, электрического напряжения) в код числа.

В системах ЧПУ, АЦП контролируют сигналы с датчиков привода по двум параметрам: скорости (сигнал с тахогенератора) и положению (сигнал с резольвера или ВТ трансформатора). Отсюда второе название АЦП в системах ЧПУ – блок оцифровки датчиков.

Рис.2.2 Дискретизация непрерывного сигнала.

Процедура аналоговоцифрового преобразования, состоит из двух этапов: дискретизации по времени и квантования по уровню. Процесс дискретизации по времени состоит из измерения значений непрерывного сигнала U(t) (рис.2.2) только в дискретные моменты времени 0, T, 2T…, т.е. через время равное периоду дискретизации T. Точность представления сигнала в численном виде, зависит от числа отчетов в единицу времени, т. е. от величины T.

Операция квантования сводится к определению того интервала, в который попало дискретное значение U(t) и к присвоению этому значению цифрового кода. При такой замене может быть допущена ошибка, равная б/2. Можно сделать вывод, что ЦАП генерирует задающий сигнал на привод, АЦП контролирует его отработку, а целом образуется замкнутая на ЦП система управления, обеспечивающая надежную работу привода станка,

6.Блок связи с пультом управления (ПУ).

ПУ может быть выносным или встроенным в УЧПУ. Блок предназначен для связи с ПУ УЧПУ станка, который выполняет следующие функции.

♦Ручной ввод данных.

♦Размерную привязку инструмента.

♦Корректировку режимов обработки детали.

♦Редактирование УП.

♦Управление выводом информации на дисплей УЧПУ. 7.Блок связи с устройством внешней памяти (ВП).

Предназначен для ввода УП пользователя, с долговременных запоминающих устройствах, например:

КМНЛ – кассетный накопитель на магнитной ленте.

ЦМД – кассета внешней памяти на цилиндрических магнитных доменах. КВП – кассета внешней памяти с встроенным аккумуляторным источником

питания, сохранение информации без подзарядки 100ч. ФСУ – фотосчитывающее устройство с перфоленты.

Такие внешние ЗУ позволяют расширить общий объем памяти с 4КБ (ОЗУ) до

8-16КБ.

- 17 -

8.Блок связи с ЭВМ верхнего уровня (ВУ ЭВМ).

Предназначен для обмена информацией с внешней ЭВМ. Одна ЭВМ может обслуживать группу систем ЧПУ, каждая из которой имеет свой идентификационный номер, по которому идет обращение к ней. В памяти ЭВМ могут храниться библиотеки УП, а также создаваться с помощью САП новые УП.

Исходя из выше изложенного можно сказать, что современная система ЧПУ это автономное проблемно-ориентированное устройство на основе универсальной микро-ЭВМ, имеющее развитую систему интерфейсов для обмена сигналами с объектами управления. УЧПУ приспособлено к работе в производственных условиях в режиме управления, в реальном времени.

2.3Устройства ЧПУ.

Всоответствии с поколениями современные системы ЧПУ типа CNC, можно разделить на два класса:

♦однопроцессорные УЧПУ серии 2С, 2Р, 2М и “Электроника НЦ – 31”.

♦мультипроцессорные (с независимыми процессорами) УЧПУ серии 3С, “Электроника МС2101”.

Однопроцессорные системы серии 2С, 2Р, 2М выполненные на базе

микро-ЭВМ “Электроника 60”.

УЧПУ 2Р22 предназначено для управления токарными станками. Имеет развитую систему диалогового программирования на основе циклов механической обработки стандартных элементов деталей. Ввод УП производится с клавиатуры, а их долговременное хранение организует КМНЛ. Предусмотрен ввод УП с ЭВМ верхнего уровня или через ФСУ с перфоленты.

УЧПУ 2С42 позволяет использовать до трех каналов управления приводами (причем всеми тремя одновременно). Применяется для управления работой фрезерных и многооперационных станков. При широких технологических возможностях, в конструкции системы управления, предусмотрены дополнительные режимы; такие как зеркальная обработка, возврат на траекторию после технологического останова, компенсация люфтов и накопленной ошибки. ПрО системы поддерживает большой набор команд и функций параметрического программирования, что делает возможным создание пользователем собственной библиотеки подпрограмм.

УЧПУ “Электроника НЦ-31”.предназначена главным образом для токарных станков. Одна из первых моделей класса CNC, имеет однострочный дисплей, что является ее недостатком. ПрО системы, позволяет сравнительно легко создавать программы в режиме обучения. В этом режиме при ручном управлении, и работе от маховиков микрометрической подачи, параллельно с обработкой детали, формируется УП, причем ее разбиение на кадры, включающие команды технологических функций M, S, Т также выполняется автоматически. Обеспечивается выполнение развитых технологических циклов, оформленных в виде G – функций. Предусмотрена возможность параметрического задания подпрограмм и выполнения команд условных переходов по внешнему событию; например сигнал - «длина прутка, от которого отрезаются заготовки, достигла min величены».

Мультипроцессорные УЧПУ позволили реализовать ряд новых функций. УЧПУ «Электроника МС2101», выполнена на базе микроЭВМ «Электроника НЦ 80-31». Наличие отдельного процессора управления дисплейным блоком, позволяет ввод, редактирование УП, проверку введенных данных, формирова-

- 18 -

нием на экране дисплея траектории движения инструмента в то время, когда станок обрабатывает деталь в автоматическом режиме. Объем ОЗУ до 58К, плюс КВП на 32К. Система позволяет проводить оптимизацию технологии обработки, путем сравнения ее параметров – например основного времени на операцию Тос, периода стойкости инструментов и пр.

УЧПУ 3С150 – многопроцессорное устройство, с возможностью управления по 10 каналам, причем каждые два канала обслуживаются отдельным процессорным блоком микроЭВМ. Предназначено для управления многоцелевыми станками различных типов. Система имеет развитую технику подпрограмм с параметрическим заданием величин, а также возможность использование макро-процедур обеспечивающих упрощенное описание контура детали. Для данного УЧПУ предусмотрен режим адаптивного управления.

3. Программное обеспечение ( ПрО) систем управления станками

ПрО является важной частью систем ЧПУ и определяет алгоритм его работы. Создание ПрО является трудоемкой задачей. Например, алгоритм только одной функции обеспечивающей линейное перемещение и проводящей ряд динамических проверок, занимает объем 1Кбайт. Проблема разработки ПрО имеет две составляющие. Содержанием первой является обработка уже известных алгоритмов работы систем ЧПУ и создание новых. Другая составляющая проблемы – это координация всех алгоритмов ЧПУ. Последняя задача более сложная, т. к. требует значительной вычислительной мощности и синхронизации в работе всех программистов, занятых разработкой данного ПрО.

3.1 Общие принципы построения ПрО.

Структурно ПрО представляют набор взаимосвязанных программ, которые обеспечивают:

1.Подготовку устройства к работе.

2.Организацию диалога с оператором.

3.Ввод, размещение и расшифровку УП.

4.Расчет траектории перемещения рабочих органов – прямолинейного и кругового. Перемещения по нескольким координатам одновременно.

5.Управление приводами подач и обработку информации от датчиков обратной связи.

6.Коррекцию траектории перемещения (расчет эквидистанты контура)

ирежимов обработки детали.

7.Связь с ЭВМ высшего ранга.

8.Автоматическое тестирование системы ЧПУ в целом.

ПрО разрабатывается для различных типов станков одной группы (16К20, 16К30…), поэтому привязка его к конкретному типу, требует изменения определенной части программ. Для гибкости ПрО построено по модульному принципу и содержит ядро и совокупность инвариантных модулей характерных для определенного станка и системы ЧПУ. Поскольку основная задача УЧПУ – управление электроприводами станка, которые работают в реальном масштабе времени, необходимо согласование выполнения программ ПрО с текущим временем. Во времени организует работу ПрО и всего УЧПУ таймер – внутренние часы системы управления. По его временным интервалам работают все блоки УЧПУ и микроЭВМ. Конструктивно таймер, представляет собой генера-

- 19 -

тор, модулирующий импульсы с большой точностью по частоте. Через каждые 10-15мкс (в зависимости от типа УЧПУ), генерируется импульс большей амплитуды – таймерная отметка (рис.3.1)

Рис. 3.1 Импульсы генератора с таймерными отметками

Ко времени to, между двумя таймерными отметками, определенному как такт работы микроЭВМ соотносится выполнением всех программных алгоритмов ПрО и УЧПУ в целом. Особенность ЭВМ – высокое быстродействие. Это приводит к тому, что при решении одной задачи управления (например, обслуживания привода по одной координате), временные ресурсы ЭВМ не будут целиком использоваться (т. е. имеется возможность организовать управление по двум и более координатам). Поэтому возникает проблема приоритетности задач управления и работы программных модулей ПрО, обслуживающих эти задачи. Механизм взаимодействия программ во времени и между собой определяется с помощью специальной программы ПрО – “диспетчер”, в которой управление задачами рассматривается с точки зрения приоритетов и отношению к реальному времени.

3.2 Структура ПрО

По отношению к реальному времени, задачи включенные в ПрО, можно разделить на три группы.

1.Задачи реального времени.

2.Фоновые задачи.

3.Задачи, не зависящие от времени.

Рассмотрим задачи реального времени, к которым относятся:

♦обслуживание электроавтоматики станка (“стоп подачи”, “стоп шпинделя” , “охлаждение включить“ и пр.);

♦обеспечение работы в ручном режиме;

♦расчет кодовых приращений управления приводами и анализ информации поступающей с датчиков обратной связи.

Все программы обеспечивающие решение задач реального времени, выполняются за один такт работы микроЭВМ. На время выполнения этих задач, вводится приоритет процессора, что приводит к игнорированию всех прерываний, за исключением аварийно – блокирующих ситуаций.

Программы фоновых задач, работают в оставшуюся часть такта микроЭВМ, после завершения работы программ реального времени. Если фоновая задача не успевает, закончится до прихода таймерной отметки (т.е. до окончания такта), она снимается с выполнения, а полученные данные записываются в стек (stec). Вычисления по этой задаче возобновятся в следующем такте работы микроЭВМ. Группа фоновых программ выполняет следующие задачи.

1.Расчет величин необходимых для перемещения рабочих органов по заданной в УП траектории. Это основная задача.

2.Организуют режимы “Ввод УП”, “Коррекция”, “Редактирование УП”,

- 20 -