Геометрическая задача ЧПУ

ГЗ ЧПУ формулируется следующим образом: отобразить геометрическую информацию чертежа в совокупность таких формообразующих движений станка, которые материализуют чертеж в конечном изделии. Формообразующие движения воспроизводятся обычно следящими приводами подачи станка. Следящие приводы подачи расположены так, что они соответствуют координатной системе станка, в которой и осуществляется в процессе обработки управляемое относительное движение инструмента и заготовки. При этом координатная система должна быть такой, чтобы ГЗ ЧПУ была реализуемой. ГЗ ЧПУ реализуется с помощью управляющей программы, состоящей из кадров. Последовательная активизация кадров управляющей программы, то есть последовательная обработка содержащейся в них информации сопровождается выдачей оперативных команд на исполнительные приводы станка, приводит к последовательному 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 подготовлен к оперативным расчетам и отработке. Кадр, подготовленный в таком виде, называется буферным.

Укрупненный алгоритм работы устройства ЧПУ в автоматическом цикле показан на рис. 3.2.

 

 

Рис, 3.2. Алгоритм работы устройства ЧПУ в автоматическом цикле

Основным содержанием переработки информации в автоматическом цикле являются подготовка буферного кадра и отработка рабочего кадра. Подготовка буферного кадра состоит в преобразовании информации из того вида, в котором она представлена на физическом программоносителе, или в памяти устройства ЧПУ, в тот вид, который наиболее удобен для выполнения расчетов, связанных с отработкой рабочего кадра. Любой кадр управляющей программы в конце концов становится буферным, а затем и рабочим. Информация рабочего кадра носит обобщенный характер. Она укрунённо описывает ГЗ ЧПУ (то есть ту траекторию, которую необходимо воспроизвести), но ничего не говорит о способах ее решения (то есть о том, какими должны быть команды, оперативно выдаваемые на следящие приводы подачи). Вычислительная процедура устройства ЧПУ, обеспечивающая переход от укрупненного описания заданного перемещения к оперативным командам в функции времени для исполнительных приводов, называется интерполяцией.

Интерполяция осуществляется над целыми числами, каждая единица которых соответствует наименьшему перемещению или углу поворота рабочего органа станка, контролируемым в процессе управления. Такое соответствие понимают как дискретность перемещения. Поскольку контроль перемещения на станке вдоль каждой координатной оси выполняет датчик обратной связи по положению следящего привода подачи, постольку и дискретность перемещения определяется ценой деления шкалы этого датчика. В общем случае заданное перемещение на уровне рабочего кадра представлено целым числом дискрет. Под дискретой понимается управляющая команда, поступающая на вход следящего привода подачи. Следящий привод подачи отрабатывает каждую дискрету соответственно ее цене. т.е. в виде некоторого элементарного перемещения.

При линейной интерполяции исходя из заданной скорости подачи несложно рассчитывается число управляющих дискрет, которые необходимо равномерно выдавать на приводы подачи X и Y. Однако с целью экономии затрат вычислительный процесс интерполяции на практике строится на других принципах.

Координату X, перемещение по которой часто называют ведущей, управляющие дискреты формируют так, что они поступают в привод подачи X равномерно. Выдача управляющих дискрет по ведомой координате Y разрешено лишь в моменты времени, определяемые дискретами ведущей координаты, что приводит обычно к некоторому запаздыванию по времени дискрет ведомой координаты. Теоретически неизбежно некоторое отклонение от заданной прямой линии, которое не превышает цены одной дискреты. Преимуществом является то, что вычислительный цикл интерполяции завершается одновременной выдачей управляющих команд для приводов подачи всех координат.

На практике такая интерполяция осуществляется следующим образом. В очередном вычислительном цикле, выполняемом с максимально высокой скоростью в машинном масштабе времени, определяют, в какие приводы подачи должны быть выданы дискреты на текущем этапе оперативного управления. Результат сохраняют в буфере, который опрашивают с частотой, соответствующей скорости подачи для ведущей координаты. Таким образом, расчеты максимального масштаба привязывают к реальному времени, развитие событий в котором определяется технологическими соображениями.

Возможна принципиально иная схема интерполяции -интерполяция на постоянной текущей частоте. В каждом периоде постоянной частоты и для каждой координаты в отдельности рассчитывают число дискрет, которые в этом периоде должны быть отработаны исходя из скорости подачи, заданной для привода конкретной координаты. Если результаты расчета окажутся дробными, так как часть от дискреты при управлении не имеет физического смысла, то пачки дискрет, подготовленные к выдаче в приводы подачи в определенном приводе постоянной частоты, округляют до целых чисел. При этом дробные остатки накапливают и учитывают в последующих периодах. В этой связи выдачи пакета дискрет в приводы от периода к периоду неравномерны.

Выдачи дискрет при линейной интерполяции равномерны и вычисляют достаточно просто. При круговой интерполяции частоты управляющих дискрет неравномерны и вычисляются при круговой интерполяции сложнее.

В целом интерполяционный процесс есть совокупность непрерывно повторяющихся (до полной-отработки всей интерполяции кадра) вычислительных циклов, которые завершаются определением комбинации управляющих дискрет, выдаваемых на приводы или выдаваемых на приводы пачек управляющих дискрет.

Заключительный этап решения ГЗ ЧПУ состоит в отработке управляющих дискрет следящими приводами подачи в формообразующей системе координат станка. В качестве примера рассмотрим отработку управляющих координат с использованием следящего привода произвольного типа, показанного на рис. 3.3.

 

 

Рис. 3.3. Схема отработки управляющих дискрет следящими приводами произвольного типа

 

Здесь датчик обратной связи (по положению) передает прямую информацию х о перемещении исполнительного органа. Абсолютная заданная координата исполнительного органа:

 

 

где х - содержимое накопителя абсолютной координаты (заданной) в безразмерных координатах; х - дискретность перемещения исполнительного органа. Абсолютная фактическая координата

 

 

 

где х - содержимое накопителя абсолютной координаты (фактической) в безразмерных дискретах. Одна управляющая дискрета приведет к перемещению исполнительного органа на величину х. Действительно, если х = 1, то = k(1- х). Следящий привод придет в движение, и после перемещения исполнительного органа на величину х датчик обратной связи по положению сформирует сигнал x = 1, рассогласование станет нулевым, а следящий привод остановится.

Структурная схема геометрической задачи в общей конфигурации системы ЧПУ приведена на рис. 3.4.

 

 

Рис. 3.4. Структурная схема геометрической задачи в общей конфигурации системы ЧПУ

 

Анализируя структуру, можно установить отдельные фазы решения ГЗ ЧПУ.

Ввод управляющей программы в память устройства ЧПУ с программоносителя или по каналу связи с верхнего уровня. При размещении управляющей программы в памяти неизбежны некоторые изменения исходного текста, связанные с исключением пробелов, комментариев, непредусмотренных символов, а также синтаксический и семантический контроль.

Активизация управляющей программы в автоматическом режиме и вовлечение ее информации в процесс вычислений. Здесь важную роль играет подготовка буферного кадра, поскольку исходные тексты управляющей программы не содержат в явном виде всей информации, необходимой для траекторных расчетов. Подготовка буферного кадра включает расчеты эквидистант, преобразования координатных систем, определение данных, используемых алгоритмами.интерполяции.

Интерполяция. Алгоритмы интерполяции обслуживают тот кадр управляющей программы, который является в данный момент рабочим. Интерполяционные вычислительные циклы воспроизводятся с высокой частотой, чтобы получить информацию, необходимую для оперативного управления следящими приводами подачи с целью движения по заданной траектории. Задача интерполяции состоит в управлении каждым отдельным приводом подачи, а также в согласовании приводов подачи между собой.

Сложность ГЗ ЧПУ определяется программным наполнением ее фаз: уровнем начального контроля исходных текстов; степенью автоматизации подготовительных траекторных расчетов; возможностями вмешательства оператора в процесс автоматического управления; числом алгоритмов интерполяции и богатством этих алгоритмов; числом управляемых координат; возможностями настройки и коррекции следящих приводов.

 

Логическая задача ЧПУ.

 

Выполнением основных операций обработки деталей по заданной управляющей программе далеко не исчерпываются функции ЧПУ. На современных станках автоматизированы многочисленные вспомогательные операции, условно называемые операциями технологического обеспечения. К числу вспомогательных операций относятся: управление автоматической сменой инструмента; управление переключениями в приводах подачи, связанными с ограничениями рабочей зоны; управление переключениями в приводе главного движения; управление зажимными приспособлениями, охлаждением, смазыванием, перемещением ограждений и так далее. Все эти функции выполняет система цикловой электроавтоматики (СЦЭА).

СЦЭА называется САУ механизмами и группами механизмов, поведение которых определяется множеством дискретных операций с отношениями следования и параллелизма. При этом отдельные операции инициируются электрическими управляющими сигналами, а условия их смены формируются под влиянием осведомительных сигналов, поступающих со стороны объекта управления. СЦЭА обеспечивает: подготовку к работе и работу станка в заданных режимах; индикацию состояния электрооборудования станка и самой системы автоматики во всех режимах; выход из аварийных ситуаций; хранение информации при отключении питания; защиту электрооборудования и некоторые другие.

СЦЭА создают для решения ЛЗ ЧПУ. Эта задача распадается на большое число независимых, в то же время и связанных между собой (через взаимные блокировки) подзадач, где отдельная подзадача описывает циклический процесс некоторого дискретного механизма (объекта) на станке.

Все сложные циклические процессы на станке с ЧПУ представляются в виде циклов автоматики и операций. Циклом автоматики станка с ЧПУ называют последовательность действий, вызываемых по имени одним из трех следующих информационных слов (кадра) управляющей программы: «Скорость главного движения», «Функция инструмента», «Вспомогательная функция». Цикл автоматики состоит из операций. Под операцией понимается любое независимое действие дискретного механизма, выполняемое одним двигателем, открываемое самостоятельным управляющим сигналом, подтверждаемое или неподтверждаемое при закрытии осведомительным сигналом.

Дискретные механизмы станка делятся на следующие функциональные группы: привод главного движения и шпиндель; дискретная группа в приводах подачи; механизм автоматической смены инструмента; зажимные приспособления станка; механизм уборки стружки; система охлаждения; люнеты; задняя бабка и пиноль токарного станка и другие.

Отдельные механизмы могут выполнять не один, а несколько взаимоисключающих циклов, называемых ортогональными. В качестве примеров ортогональных групп циклов можно привести: группу циклов смены диапазона частоты вращения шпинделя; группу циклов выбора направления вращения и остановки шпинделя; циклы поиска инструмента; циклы включения частоты вращения шпинделя.

Общая структура вспомогательного технологического обеспечения построена по иерархической системе: функциональные группы дискретных механизмов; ортогональные группы циклов автоматики для каждого механизма и операции каждого отдельного цикла автоматики.

Обобщенной моделью решения ЛЗ ЧПУ является функциональный автомат. При решении ЛЗ ЧПУ в качестве операционного автомата выступают исполнительные цикловые механизмы объекта (станка), а функции управляющего автомата выполняет СЦЭА, что отражено на рис. 3.5. Множество двоичных или цифровых осведомительных сигналов х (от конечных и путевых выключателей, датчиков параметров), поступающих со стороны объекта, определяют его текущее состояние. Множество управляющих сигналов у (типа включить-выключить) поддерживают состояние объекта неизменным или переводят объект в новое состояние. СЦЭА имеет и внешний интерфейс, так как получает извне от других управляющих устройств команды управления (например имена вызываемых циклов) и сообщает другим устройствам управления о своих состояниях (например о выполнении полученного задания).

 

Рис. 3.5. Модель решения ЛЗ ЧПУ

Внутренняя структура СЦЭА построена по принципу функционального автомата и представлена на рис. 3.6.

Роль операционного автомата играет информационная модель поведения объекта, то есть модель воспроизводимых циклов автоматики. Роль управляющего автомата играет система логического управления.

 

 

Рис. 3.6. СЦЭА как функциональный автомат

 

В качестве управляющих сигналов выступают логические функции f(x), определяющие текущее состояние а воспроизводимых циклов автоматики в информационной модели и переходы между состояниями этой модели. В качестве осведомительных сигналов выступают имена операций или процедур {z}, которые являются функциями устойчивых состояний а циклов автоматики: {z}= f (a). В дальнейшем имена {z} транслируются во внешние управляющие сигналы у. Некоторые состояния а информационной модели (например начальные или заключительные состояния циклов) представляют интерес и для внешних устройств управления. Внешние управляющие сигналы у поступают для начальной инициации циклов.

Общая конфигурация системы управления цикловой автоматикой приведена на рис. 3.7.

В эту конфигурацию входят: технологический пульт станка, СЦЭА, объект, представленный компонентами системы управления на станке, устройство ЧПУ. В автоматическом режиме система управления электроавтоматикой получает от устройства ЧПУ команды y на запуск циклов, а сигналы а уведомляют устройство ЧПУ о завершении циклов на станке. В ручном режиме оператор с помощью органов управления технологического пульта или панели управления устройства ЧПУ вызывает отдельные переходы циклов или полные циклы командами u.

Рис. 3.7. Общая конфигурация системы управления цикловой автоматикой

Реакция СЦЭА па нерегулярные ситуации (смена режима, нажатие кнопки аварийного останова, тайм-аут, срабатывание путевых ограничительных выключателей и других) проявляется в останове станка в текущей операции или переводе в заданное состояние. Во всех режимах СЦЭА воздействует на объект управления командами у. В результате подачи на объект управления управляющего воздействия выполняются вспомогательные операции технологического обеспечения, а по мере завершения отдельных стадий этих операций изменяются значения осведомительных сигналов x. Отработка операций на станке визуализируется с помощью средств индикации по сигналам и, являющимся подмножеством множества у.

В настоящее время существуют различные варианты взаимодействия СЦЭА с устройством ЧПУ. Известны следующие варианты: СЦЭА строят в виде специализированного логического автомата и размещают в автономном шкафу электроавтоматики; СЦЭА встроена в устройство ЧПУ; за СЦЭА резервируется один из процессоров мультипроцессорного устройства ЧПУ; функции СЦЭА возлагают на процессор однопроцессорного устройства ЧПУ, где взаимодействие задач ЧПУ осуществляется на программном уровне. Последний вариант взаимодействия СЦЭА и устройства ЧПУ представлен на рис. 3.8.

Рассмотрим фазы решения ЛЗ ЧЛУ в автоматическом режиме. Начальная фаза состоит во вводе управляющей программы в память устройства ЧПУ и последующей ее активизации. ЛЗ ЧПУ представлена в управляющей программе именами вызываемых циклов. Само описание циклов введено в память заранее и постоянно там хранится. Непосредственный вызов циклов производится из рабочего кадра управляющей программы. С этого момента начинается вычислительный процесс, состоящий в анализе осведомительных сигналов, вычислении переходов по циклу с одновременным вызовом необходимых операций и процедур, выдаче управляющих воздействий на станок. Степень сложности ЛЗ ЧПУ оценивается косвенно по числу входов-выходов СЦЭА.

 

 

 

 

Рис. 3.8. ЛЗ ЧПУ с процессором, разделяемым с СЦЭА

 

Терминальная задача ЧПУ.

Устройство ЧПУ первоначально было создано как проблемно-ориентированная вычислительная машина реального времени. По мере возрастания роли оператора в управлении все более увеличивается удельный вес интерактивных (диалоговых) процедур и связанных с ним процессов машинного масштаба времени. Постепенно был сформулирован автономный круг задач, решение которых не требовало специализированной аппаратуры ЧПУ, а могло быть выполнено универсальными вычислительными средствами на основе взаимодействия оператора с терминалом. Таким образом, оформилась терминальная задача ЧПУ (ТрЗ ЧПУ).

К ТрЗ ЧПУ относятся все проявления взаимодействия устройства ЧПУ с окружающей средой, то есть диалог с оператором и диалог с другими системами управления. Техническими средствами поддержания диалога являются пассивный терминал (панель оператора) или активный терминал (персональный компьютер), а также интерфейс с управляющими устройствами внешней среды.

Инструментом общения оператора с панелью оператора являются дисплей и клавиатура. Клавиатура предназначена для выбора режима работы: ввод алфавитно-цифровых данных; управление курсором с целью редактирования вводимой информации; смена страниц информации, выводимой на дисплей; изменения системы отчета выбора дискретности перемещений; ввод исполнительных команд типа «включить», «выключить», «стоп», «пуск»; задание элементов геометрии; задание укрупненных команд типа технологических циклов и других,

Экран дисплея представляет следующую информацию: состояние системы управления (указание режима и подрежимных ветвлений так называемых "мод", сообщения об ошибках и сбоях); состояние объекта управления (станка) (положения рабочих органов в различных системах координат, подача, частота вращения шпинделя, имена выполняемых циклов автоматики: сведения о выполняемой управляющей программе, текст выполняемого фрагмента управляющей программы); описание всех прошлых действий оператора; описание стандартных циклов обработки, включая их графическую интерпретацию; представление статико-графической модели управляющей программы (наложенные эскизы заготовки и изделия с указанием всех рабочих и вспомогательных проходов); представление динамико-графической модели процесса обработки (изображение текущего состояния и его развития в реальном времени).

Информация, появляющаяся на экране дисплея, отражает ту часть Решения ТрЗ ЧПУ, которая в данный момент интересует оператора. Если панель оператора является компонентой пассивного терминала, (консоли оператора), то само решение ТрЗ ЧПУ осуществляется в устройстве ЧПУ. Если же панель оператора придана активному терминалу (персональному компьютеру), то решение ТрЗ ЧПУвыполняется в самом терминале. Объем представляемой оператору информации, т.е. объем дисплейных функций, во многом определяет функциональные возможности устройства ЧПУ.

Оптимальным режимом работы оператора с системой управления является диалог. Диалог имеет следующую структуру: выдача (системой управления) очередного сообщения оператору через экран дисплея (сообщение - это та часть системной реакции, которая появляется на экране дисплея и приглашает оператора к дальнейшей работе); ожидание системой управления ввода директивы оператором, где директива - минимальная совокупность действий оператора через клавиатуру панели, которая вызывает смену сообщения; ввод оператором директивы через клавиатуру панели, вызов системой управления соответствующей подпрограммы обработки директивы оператора; переход к началу.

Диалог вовлекает оператора в сложный иерархический процесс принятия решений. При этом система управления поддерживает функцию выбора решения с привлечением техники меню. Меню предлагает варианты развития диалога, варианты ответов на вопрос, перечень виртуальных клавиш. Виртуальными клавишами называются такие, имена которых переменны, а их текущие значения динамически изображаются на экране дисплея.

На практике существуют четыре варианта диалога оператора с устройством ЧПУ: управление процессом и объектом; системная работа; автоматизированное проектирование управляющей программы; редактирование управляющей программы.

Диалог управления процессом и объектом протекает непосредственно в ходе обработки детали (ручной или автоматической). Речь идет о приглашениях со стороны системы управления выбрать режим или выбрать команду на перемещение в ручном режиме. Под диалоговой системной работой понимают: манипулирование различными наборами констант, параметров настройки, корректоров; архивную работу с внешними носителями; вход в информационный обмен с ЭВМ верхнего уровня. При диалоге автоматизированного проектирования управляющей программой используется процедура ввода данных, необходимых для построения управляющей программы, которая базируется на одном из двух вариантов САПР: цикловой системе; инструментальной системе.

При цикловой САПР управляющая программа обработки составляется из стандартных технологических решений (циклов), которые заранее разработаны в параметрической форме и нуждаются лишь в том, чтобы параметрам придали конкретные числовые значения. Из стандартных системных циклов оператор выделяет тот, который первым необходимо применить для обработки. Затем оператор задает все необходимые геометрические и технологические данные, относящиеся к этому циклу. Если для обработки детали недостаточно одного цикла, то описанный процесс повторяется для очередного стандартного цикла, привлекаемого в управляющую программу.

Для инструментальной САПР управляющих программ характерна следующая схема действий оператора: определение вида материала и параметра шероховатости обработки; определение геометрии детали и заготовки; определение вылета и геометрии каждого используемого инструмента и его положения в координатной системе детали; определение всех необходимых проходов; формирование ISO текста управляющей программы.

Диалоговое проектирование управляющей программы охватывает собственно редактирование и ручной ввод текста управляющей программы.