Информационная структура систем числового программного управления станками

К СЧПУ относят средства, участвующие в выработке по заданной программе управляющих воздействий на исполнительные органы станка и другие механизмы, средства внесения и управляющее воздействие внешних и адаптивных поправок, а также средства диагностики и контроля работоспособности СЧПУ и станка при изготовлении детали. СЧПУ станком должна включать: технические средства; программное обеспечение (для программируемых СЧПУ); эксплуатационную документацию.

К техническим средствам СЧПУ относятся:

вычислительно-логическая часть (включая запоминающие устройства различного типа для программируемых систем);

средства формирования воздействий на исполнительные органы станка (приводы подач и главного движения, испол­нительные аппараты электроавтоматики и др.);

средства связи с источниками информации о состоянии управляемого объекта (измерительными преобразователями различных видов, устройствами контроля, адаптации, диагностики и др.);

средства, обеспечивающие взаимодействие с внешними системами и периферийными устройствами (каналы связи с ЭВМ высшего ранга и др.).

Технические средства, входящие в состав СЧПУ, обычно конструктивно оформляются в виде автономного устройства - УЧПУ.

Основными классификационными признаками СЧПУ являются уровень сложности управляемого оборудования и числа осей, связанных решением единой интерполяционной задачи во времени. По этому признаку СЧПУ станками подразделяют на следующие группы:

СЧПУ с прямоугольным формообразованием по одной оси координат;

СЧПУ с контурным формообразованием при ограниченном составе функций по двум или трем осям координат (информационным каналам);

СЧПУ с расширенными функциональными возможностями для оснащения многоцелевых станков и станков со сложным объемным формообразованием по четырем-пяти осям координат (информационным каналам);

СЧПУ с расширенными функциональными возможностями, включая специальные задачи управления, для оснащения тяжелых и уникальных станков и станочных модулей по 10 - 12 осям координат (информационным каналам).

Сложность структуры СЧПУ определяется по информационным признакам и оценивается числом и характером информационных каналов, используемых при работе системы. В связи с тем, что информационное назначение устройств и их элементов, входящих в СЧПУ, различно, их относят к различным иерархическим рангам. Обычно СЧПУ станками имеет двух- или трехранговую структуру, обеспечивая при этом выходы на более высокие ранги для работы в качестве компонентов ГПС, автоматизированных линий, участков и других производственных комплексов.

В структуре системы (рис. 2.13) уровни различных рангов связаны между собой информационными каналами. В обозначении канала (буква Р) обычно используют двойную индексацию: первая цифра нижнего индекса указывает ранг, на котором канал формируется, вторая цифра нижнего индекса - ранг, на котором канал замыкается; верхний индекс (римские цифры) означает номер канала. Например, обозначение Р^II₁₃ показывает, что информационный поток, соответствующий второму каналу (верхний индекс II), формируется на уровне 1-го ранга (первая цифра нижнего индекса), т. е. датчиками станка, и замыкается на устройстве, соответствующем уровню 3-го ранга (вторая цифра нижнего индекса), - на УЧПУ (рис. 2.13, а).

При структурно-информационном анализе СЧПУ принято следующее распределение уровней и информационных каналов.

Уровень 0-го ранга - это совокупность таких факторов, как температура, качество материалов, данные контрольно-измерительной аппаратуры и др.

Уровень 1-го ранга - это преобразователи, формирующие информацию каналов: P^II₁ - по положению исполнительных органов станка; Р^III₁ - по технологическим и размерным параметрам, характеризующим состояние системы СПИД (станок - приспособление - инструмент - деталь); Р^IV₁ - по параметрам возмущений, вносимых в систему СПИД; Р^VI₁ - по точности детали, обрабатываемой на станке; Р^VII₁ - по замене приспособлений, инструмента и готовности станка; Р^VIII₁ - по наблюдению за правильным ходом процесса резания и регистрации возникающих неполадок, а также выработке способов их устранения.

Уровень 2-го ранга - это совокупность исполнительных регулируемых приводов и исполнительных механизмов станка - основных (осуществляющих программное перемещение исполнительных органов), вспомогательных (выполняющих различного рода технологические команды, в том числе при помощи робота) и дополнительных (предназначенных для подналадочных и корректирующих перемещений).

Уровень 3-го ранга - уровень технических средств СЧПУ (в том числе УЧПУ).

Уровни 4-го и более высоких рангов выходят за пределы СЧПУ и станка. К уровню 4-го ранга относится, например, внешняя ЭВМ.

В наиболее общем случае СЧПУ металлорежущими станками имеют трехранговую структуру. Функциональное назначение информационных каналов при трехранговой структуре может быть следующим.

Информационный канал P^I - канал, передающий информацию управляющей программы, которая, будучи введена в УЧПУ на уровне 3-го ранга, приводит в движение исполнительные механизмы и приводы 2-го ранга и всю систему контроля и измерения 1-го ранга. Степень совершенства канала P^I зависит от достоверности априорных сведений, которыми располагает технолог-программист о будущих свойствах процесса обработки.

Информационный канал P^II - канал, передающий информацию датчиков обратной связи по положению исполнительных органов станка. Этот канал имеют замкнутые СЧПУ, исполнительной частью которых служит следящий привод, а в разомкнутых СЧПУ он отсутствует. Канал Р^II замыкается на уровне 3-го ранга.

Информационный канал Р^III - канал, передающий информацию датчиков, измеряющих силовые параметры резания, температурные и силовые деформации, относительные колебания инструмента и заготовок, текущий износ инструмента. Этот канал характеризует состояние системы СПИД непосредственно в процессе обработки и может быть использован для повышения точности обработки и оптимизации процесса резания. В зависимости от конкретной структуры системы управления канал замыкается на уровнях 3-го или 4-го ранга, а именно там, где вносятся необходимые коррекции в управляющую программу.

Рис. 2.13. Трехранговая структура СЧПУ (связь уровней различных рангов информационными каналами): а - общая схема; б - граф трехранговой структуры

Информационный канал P^IV - канал передачи информации возмущения, которая воздействует на станок и систему управления на уровне 2-го ранга, оказывая влияние на процесс обработки. Причинами возмущения являются переменные припуск и твердость материала, изменения в температуре окружающей среды и другие факторы. Интенсивность возмущения не зависит от работы системы управления и не может быть изменена в ходе управления. Компенсируя возмущения, можно повысить точность изготовления детали. Возмущения измеряются на уровне 1-го ранга. Информация, собранная на уровне 1-го ранга, используется на уровнях 3-го и 4-го рангов. Колебания припуска и твердости часто оцениваются по отклонениям составляющих силы резания или крутящего момента на шпинделе. Следовательно, датчики силы резания или датчики момента в различных структурных вариантах управления могут входить или в контур канала Р^III, или в контур канала Р^IV.

Информационный канал P^V - канал передачи информации оптимизации, предназначенной для оптимальной коррекции управляющей программы по одному из критериев эффективности: критерию максимальной производительности, критерию качества какого-либо параметра детали, критерию минимальных приведенных затрат и другим критериям. Источником информации канала P^V являются блоки оптимальной адаптации. Эти блоки могут входить в УЧПУ, моделироваться в ЭВМ или представлять собой внешнее устройство. В зависимости от того или иного структурного решения канал P^V может иметь различную конфигурацию.

Информационный канал P^VI - канал, несущий информацию об истинной точности параметров обрабатываемой детали. Такая информация используется для выполнения заданных требований к точности размеров и формы, а также к качеству поверхности. Получение этой информации прямым способом, непосредственно в процессе резания, представляет значительные трудности. Информация в канале формируется на уровне 1-го ранга и замыкается на уровне 4-го и более высоких рангов.

Информационный канал P^VII — канал передачи сведений о степени готовности станка к обработке следующей детали, включая сведения об освобождении рабочей позиции, наличии заготовки и наружного инструмента, приспособлений и др. Канал P^VII - это канал, сопрягающий работу станка с роботом, а также обеспечивающий работу станков при групповом управлении. В зависимости от построения системы управления канал Р^VII связывает уровень 1-го ранга с уровнем 3-го или 4-го ранга.

Информационный канал P^VIII - канал, при помощи которого контролируется работоспособность системы, решаются задачи диагностики, вырабатываются рекомендации по устранению неполадок. Информация канала циркулирует между уровнями 1-го и 3-го или 4-го рангов.

На рис. 2.13,6 показан граф трехранговой структуры, где изображены описанные выше каналы. Его можно рассматривать как подграф четырехранговой структуры и других, еще более разветвленных структур.

Графы конкретных структур систем можно сравнивать между собой и таким образом характеризовать степень сложности и развитости различных вариантов СЧПУ.