Аблязов В.И. Программное управление станками и комплексами

Подождите немного. Документ загружается.

14.10.09

опустится ниже порога U

отп

. Разность этих значений U

сраб

– U

отп

носит название

гистерезиса.

Подобные триггеры удобно применять в качестве датчиков порогового сиг-

нала, например в терморегуляторах.

11.5. Регистры

Регистром называется последовательностное устройство, предназначен-ное

для записи, хранения или сдвига информации, представленной в виде двоичного

кода.

По способу приема информации существуют регистры:

- параллельные (буферные), в которые информация записывается и считыва-

ется только в параллельном виде, информация не сдвигается;

- последовательные (сдвигающие), в которые информация записывается и

считывается только в последовательном виде;

- универсальные, в которые информация записывается и считывается как в

параллельном, так и последовательном виде.

По направлению сдвига информации:

- со сдвигом в одном направлении;

- со сдвигом в двух направлениях (реверсивные).

Регистры строятся только на тактируемых триггерах. Сдвигающие регист-

ры имеют один информационный вход. Буферные регистры имеют несколько ин-

формационных входов, в соответствии с числом разрядов регистра. Универсаль-

ные регистры имеют вход для последовательного ввода информации, а также

входы для параллельной записи информации одновременно во все разряды. Мно-

гие буферные регистры построены по схеме с тремя состояниями выхода для ра-

боты на шину данных.

Сдвигающие регистры используются для преобразования последователь-

ного двоичного кода в параллельный, а параллельного – в последовательный. На

их основе строят схемы синхронизации, распределители импульсов на несколько

каналов, схемы управления цифровыми узлами.

В сдвигающих регистрах происходит сдвиг информации влево (Q2 –> Q1,

Q3–>Q2,…) или вправо. Ввод-вывод информации может

быть параллельным (одновременно во все или со всех раз-

рядов) или последовательным.

Регистры хранения позволяют за-

поминать поданную на его входы комби-

нацию двоичных разрядов и хранить ее

после изменения входных сигналов. В

регистрах хранения выделяют регистры

D-типа, запись входной информации в

которые происходит по синхросигналу, и

регистры защелки (фиксаторы), которые в открытом со-



14.10.09

стоянии отслеживают на своих выходах входные сигналы, а в закрытом – хранят

их последнее значение. На рисунке слева показан параллельный регистр хране-

ния, запись в который происходит по управляющему сигналу Y

, а выдача – по

сигналу Y

ИМС регистров обозначаются ИР, например, К531ИР11 – 4-разрядный

сдвиговой регистр по технологии ТТЛШ. На принципиальных схемах регистры

обозначают RG.

На рисунке справа показан регистр хранения К155ИР15. В нем для расши-

рения функциональных возможностей предусмотрено по два идентичных управ-

ляющих входа.

Запись информации происходит по сигналу С, ввод – только при наличии

сигналов Е, выдача только при наличии обоих сигналов Z, в противном случае

выходы регистра устанавливаются в третье состояние. Обнуление регистра – по

сигналу R. Эти режимы отображены в таблице состояний регистра.

R C E

D Z

Режим

_

0 0 0 1 1 0 Параллельный ввод. На выходе 3с

_

0 0 1 1 1 1 Параллельный ввод. На выходе 3с

0 X 1 X X 1 1 Q

Хранение. На выходе 3с

0 X X 1 X 1 1 Q

Хранение. На выходе 3с

0 Х Х Х Х 0 0 Q

На выходе Q

1 X X X X 0 Установка 0

В сдвигающем регистре можно осуществлять простое

преобразование последовательного кода в параллель-

ный (а), а также - сдвиг числа влево и вправо (б). В по-

следнем случае, например в ИМС К155ИР13 по входам

по входам S

и S

задается режим:

Режим

1 1 Параллельный ввод

0 0 Хранение

1 0 Сдвиг влево (старш.  младш.)

0 1 Сдвиг вправо (младш.старш.)

По входам DR и DL происходит указание, какое значение – 0 или 1 записы-

вается в освобождающийся разряд, соответственно , если DR = 1, то при сдвиге

вправо в освободившийся разряд записывается 1, а при DR = 0 записывается 0.

Сигнал DL используется при сдвиге влево.

11.6. Счётчики. Программные делители частоты

Счётчиком называется синхронизированное цифровое устройство, выход-

ной сигнал (выходное состояние) которого переходит в одно из N возможных со-

стояний при подаче на его вход каждого счётного импульса, то есть это схема,



а)

б)



14.10.09

выполняющая функции подсчета количества единичных сигналов. N возможных

состояний счетчика называется его емкостью.

Счетчики также могут выполнять функции приема и выдачи кода. Схемы

счетчиков можно классифицировать по следующим признакам:

1) Основание системы счисления. В вычислительных сис-

темах используются двоичные и двоично-десятичные счетчики.

Число выходов в двоичном счетчике обозначается n и называется

разрядностью счётчика. В двоично-десятичном счетчике каждая

десятичная цифра представлена четырьмя двоичными разрядами.

2) Направление переходов счетчика. Счетчики принято разделять на про-

стые (суммирующие или вычитающие), которые могут вести счет только в одном

направлении (только прибавлять или вычитать), и реверсивные, которые, в зави-

симости от управляющих сигналов, могут вести счет в прямом и в обратном на-

правлениях.

3) Способ организации счета. Счетчики могут быть асинхронными и син-

хронными. В асинхронных счетчиках изменение состояния счетчика осуществля-

ется с поступлением информации только на вход первого каскада. В синхронных

счетчиках информационный сигнал поступает одновременно на синхронные вхо-

ды всех разрядов.

Важными характеристиками счетчиков является быстродействие. Быстро-

действие характеризуется временем установления кода на выходе счетчика, то

есть интервалом времени между моментом поступления входного импульса и мо-

ментом окончания самого длительного переходного процесса в счетчике.

На рисунке показан реверсивный 4-разрядный двоичный счётчик 74LS193.

Для сложения и вычитания он имеет раздельные входы. На счетные входы посту-

пают синхроимпульсы (положитель-

ный фронт). По входам параллель-

ной загрузки может происходить

предварительная установка (запол-

нение) счетчика. При наращивании

разрядности счетчика (8, 12 и т.д.)

перенос с младшей тетрады посту-

пает на заем старшей. Текущее зна-

чение счетчика находится на его вы-

ходах.

На счётчиках легко реализуются про-

граммируемые делители частоты. Простей-

ший делитель частоты (поступающих импуль-

сов) можно получить используя в качестве

выходных сигналов двоичного счетчика вы-

ход переноса Р. Тогда, сколько импульсов от

начала счета должно придти до момента появ-

ления сигнала переполнения, во столько раз

выходная частота fвых будет меньше входной

74LS193

–

P (перенос)

Входы параллельной з

грузки

Счётные

входы

Выходы

Заём

9 3

1001

0011

Счетчик

& & &

Счетный

вход

в х

в ы х

Регистр

14.10.09

fвх . Если не осуществлять предварительное заполнение счетчика, тогда для n–

разрядного двоичного счетчика:

вх

вых



Предварительно заполняя счетчик Nзап можно сделать делитель перемен-

ным. Тогда мы получаем программно управляемый делитель частоты.

зап

вх

дел

вх

вых





Значение Nзап предварительно записывается в регистр и затем переписывается в

счетчик по каждому импульсу переполнения.

12. Импульсные и фазовые системы программного управления

При программном управлении в управляющем устройстве, в соответствии

с управляющей программой (УП), в реальном масштабе времени формируются

управляющие воздействия.

В первых электронных устройствах программного управления (первого по-

коления) управляющая программа представляла собой записанную на магнитную

ленту в том же масштабе времени последовательность этих управляющих воздей-

ствий. Управляющее устройство просто воспроизводило эту последовательность,

сигналы управления приводом координат, команды включения и выключения

вращением шпинделя и др. технологические команды. Причем, поскольку систе-

ма производила одновременное считывание сигналов по всем координатам, осу-

ществлялось согласованное движение по всем координатам, то есть контурное

управление по заданной траектории.

Импульсные системы были реализованы на шаговых двигателях. Задачей

системы было восприятие импульсов с ленты и отработка их с усилением, необ-

ходимым для перемещения рабочего стола.

МГ – магнитная головка;

УВ – усилитель воспроизведения;

МГ

УВ

ЭКП

ШД

УМ

УВ

ЭКП

ШД

УМ

стол

дета

фр

е-

14.10.09

ЭКП – электронно-кодовые преобразователи, которые осуществляют пре-

образование сигналов с УВ к виду, необходимому для подачи на ШД;

УМ – усилитель мощности (не электронный);

ШД – шаговый двигатель.

В данных устройствах программного управления угол поворота двигателя



(



,…), а

следовательно и перемещение по координатам S

,…) пропорционально числу импульсов,

записанных на ленте по каждой координате n

, …)









Цена одного импульса





(дискретность или шаг), приведенная к углу поворота вала

двигателя, при этом равна углу поворота вала Δ



при подаче одного импульса:





= 2



/ N,

где N – число импульсов, обеспечивающее полный оборот вала двигателя.

Цена одного импульса



, приведенная к линейным перемещениям исполни-

тельного органа, определяется в этом случае:



=(2



/ N)



р-хв



хв

где i

р-хв

– передаточное отношение редуктора привода от двигателя до ходо-

вого винта; T

хв

– шаг ходового винта (мм/2



Скорость F движения по координате пропорциональна частоте поступаю-

щих импульсов f. Например, для координаты X:





= (2



/ N)



р-хв



хв



Задавая определенным образом частоту поступления импульсов по каждой

координате можно было сформировать любую необходимую траекторию.



14.10.09

Запись на магнитную ленту подобных управляющих программ осуществля-

лась на специальных интерполяторах. И н ф о р м а ц и я в т а к о й У П з а -

п и с ы в а л а с ь н е в ц и ф р о в о м , т о е с т ь н е в к о д и р о в а н н о м

в и д е . Для выдачи, например, 948 шагов требовалось записать 948 импульсов.

Поэтому запись и считывание (воспроизведения) УП фактически занимало столь-

ко же времени, сколько длилось само управление.

В реальных импульсных системах управления трехкоординатами станками

использовалась 9-дорожечная МЛ: +X, -X, +Y, -Y, +Z, -Z, Технологическая ко-

манда 1, Технологическая команда 2, Конец УП.

Чтобы сформировать заданную траекторию, для каждого участка нужно оп-

ределить приращение S

(количество шагов N

) и скорость по координате F

(час-

тоту f

.) или закон ее изменения.

















coscos

 ; 4:













sinsin



Рис. 14-1. Реализация контурного управления в импульсных системах:

а) участки траектории; б) сигналы по координатам; в) основные соотношения.

Особенности импульсных систем ЧПУ:



x

y















а)

б)

в)

14.10.09

 обеспечивается контурное управление по любой траектории в про-

странстве нескольких координат;

 скорость ленты не влияет точность обработки, то есть нестабильность скорости

не отражается на формируемом контуре. Скорость ленты влияет только на производитель-

ность (скорость движения рабочих органов);

 простота;

 низкая помехозащищенность из-за применения магнитной ленты;

 программы, записанные на магнитной ленте не позволяют вести обра-

ботку по эквидистантным траекториям (равноудаленных от заданных), то есть

нельзя вводить коррекцию на радиус и длину инструмента;

 нельзя вносить изменения в управляющую программу, приходится го-

товить новую УП;

 УП записана в не кодированном (цифровом) виде, следовательно, –

огромный объем записываемой (воспроизводимой с ленты) информации;

 сложность и большое время подготовки УП.

Из не цифровых систем программного управления большее распростране-

ние получили не импульсные, а ф а з о в ы е с и с т е м ы . Запись сигналов в них

осуществлялась не импульсами, а в виде синусоидальных сигналов (в аналоговой

форме). Величина перемещения здесь определяется аналоговой величиной - фазо-

вый сдвиг



синусоидального сигнала (по каждой координате) относительно

опорного сигнала. Соответственно ско-

рость движения по координате опреде-

лялась скоростью изменения фазового

сдвига.

Фазовые системы, в отличие от

импульсных, были следящими (замкну-

тыми). В них присутствовал контур об-

ратной связи по положению, за счет чего улучшалось качество управления.

Структура фазовой системы (по одной координате) показана на рисунке. В

качестве датчика угла поворота в данных системах обычно применяется синусно-

косинусной вращающийся трансформатор (ВТ), с выхода которого снимается

сигнал U

ОС

. При работе ВТ в

фазовом индикаторном режиме

истинный угол поворота вала



ист

характеризуется фазовым

сдвигом сигнала U

ОС

, снимае-

мого с ДОС. При этом фазовый

дискриминатор (ФД) формиру-

ет сигнал, пропорциональный

разности между заданным



зад

и истинным



ист

углом поворота.

ФСУП – формирователь сигналов управления привода.

РЭП – регулируемый электропривод.

Если опорный сигнал U

оп

равен

оп

= E

sin



о п

t ,



оп

УС

оп

МГС

УВ

ФД

ФСУП РЭП

ВТ

ДОС

ОС





вых

14.10.09

где



о п

– угловая частота опорного сигнала,

то сигнал задания перемещений по координате будет иметь вид:

зад

= E

sin (



о п





зад

Фазовый сдвиг



зад

сигнала задания перемещений будет определять задан-

ный угол поворота



зад

вала двигателя, а знак определяет направление поворота.

Суммарный фазовый сдвиг



зад

сигнала U

зад

за время t при выдаче n

зад

ша-

гов определяется следующим образом:



зад

= n

зад





= f



t 2





/ N,

где: : n

зад

– заданное значение дискретных перемещений

f – частота шагов (при равномерном движении);

t – время выдачи шагов.



- величина, называемая дискретностью системы по фазовому сдвигу,

или фазовым шагом. Определяется величиной фазового сдвига, формируемого

системой при задании одного шага (дискреты) .Это значение (эквивалентно им-

пульсу в импульсных системах) и выражается следующим образом:





= 2



/ N,

где N – число шагов, обеспечивающих полный оборот вала двигателя. Следовательно:

зад

= E

sin(



оп





зад

) = E

sin(



оп





f t/ N) = E

sin(



оп





f/ N) t =

= E

sin (



оп





) t.

Из формулы видно, что угловая частота сигнала U

зад

отличается от частоты



о п

на величину



, называемой д е в и а ц и е й частоты, величина которой

п р о п о р ц и о н а л ь н а частоте шагов, то есть з а д а н н о й с к о р о с т и F по

координате, а знак - направлением движения..

Частоту



о п

опорного сигнала выбирают такой, чтобы з а п е р и о д

о п о р н о г о с и г н а л а Т

ОП

= 2





о п

величина фазового сдвига



Топ

сигнала

зад

не превысила некоторую критическую величину



к р

. В противном случае

может наблюдаться неравномерность движения, а при больших фазовых сдвигах

может проявиться эффект "опрокидывания фазы", при котором возможно появ-

ление ошибки положения рабочего органа, эквивалентное полному обороту дви-

гателя. Чтобы обеспечить плавность управления обычно принимают



к р





/ 16

рад.

Истинный угол поворота вала



и с т

с в яз а н

с углом поворота ДОС



Д О С

следующим образом



Д О С



и с т



Д в . - Д О С

Линейные перемещения S

и с т

на поверхности стола, будут равны:

и с т



и с т



рад





Дв . - Х В



Х В



где: i

Дв.-ХВ

- передаточное отношение от двигателя до ходового винта, если

вал двигателя соединен с ходовым винтом через редуктор;

Дв-ДОС

– от двигателя до ДОС; T

ХВ

– шаг ходового винта.

Тогда критическому значение фазового сдвига



к р

соответствует линейное

перемещение

кр

= Т

ХВ

(



к р

/ 2



) i

Дв - ХВ

Этот же путь S

кр

можно определить, зная максимально возможную скорость

макс

определим перемещение по координате за период Т

ОП

14.10.09

maxTоп

= F

макс

ОП

= F

макс





о п

maxTоп

д.б ≤ S

кр

. Откуда миним. допустимое значение опорной частоты:



о п

= ( F

m a x





)/(



к р



ДОС

где: S

ДОС

. – "це н ы о б ор о та ф а зы Д О С ", которая равна линейному

перемещению рабочего органа, соответствующему одному полному обороту ДОС

(фазовому сдвигу сигнала 2



радиан)

ДОСДв

ХВДв

ХВДОС

ТS



 мм, ( )

Значение фазового сдвига



зад

сигнала задания координатных перемещений ( U

X-зад

, U

Y-зад

,…) можно записать следующим образом:



зад

= ( S / S

ДОС

)







радиан



и, соответственно, девиацию



угловой частоты



о п



=(F / S

ДОС

)







радиан/с



где: S – линейные перемещения по координате, F – линейная скорость.

13. Кодирование управляющих программ

Запись УП в не кодированном виде (импульсном или фазовом) была нена-

дежной и не эффективной. Кроме того, использование магнитной ленты в качест-

ве носителя было крайне неудобно. Поэтому в системах второго поколения

управляющие программы стали записываться в цифровом кодированном виде,

при котором описание траектории движения сводилось только к заданию типа ин-

терполяции (вид кривой), координатах конечной точки отдельных участков (кад-

ров), и заданной контурной скорости движения инструмента.

Объем информации в УП, определяющей характер протекания всего техно-

логического процесса обработки детали (траекториию, контурную скорость, тех-

нологические команды и т.д.), был уменьшен при этом в сотни и тысячи раз.

Функция раскодирования этой цифровой информации УП и выработка соответст-

вующих управляющих воздействий на приводы станка возлагалась на систему

ЧПУ.

Эти системы получили название систем ЧПУ типа NC (Numeric Control), а

позднее, с применением компьютеров CNC (Computer Numeric Control). Вначале

УП записывались (и хранились) на перфоленте, ввод которой осуществлялся фо-

тосчитывающим устройством (ФСУ). В настоящее время для записи УП исполь-

зуются также магнитные диски, а иногда УП передаются по линиям связи. Коди-

рование информации УП осуществляется на основе кода ISO-7bit рекомендован-

ного международной организацией по стандартизации (International Оrganisation

for Standartisation). Следует отметить, что иногда в странах Европы и США для

ЧПУ используют также коды EIA (Electronics Industries Association) и АSCII

(American Standard Code for Information Interchange). Кодирование в этих кодах

несколько отличается от ISO.

Каждая буква, символ или десятичная цифра кодируется 8-разрядным дво-

ичным кодом. Подобное кодирование, когда каждая буква или десятичная цифра

кодируется двоичным 8-разрядным числом, получило название д в о и ч н о -

14.10.09

д е с я т и ч н о г о . Семь разрядов являются информационными, а восьмой – кон-

трольным (дополняет число единиц до четности) и служит для о б н а р у ж е -

н и я о д и н о ч н ы х ошибок при считывании информации с ФСУ.

На бумажной перфоленте (ПЛ) каждый байт представлен строкой из 8 до-

рожек (разрядов), не считая синхродорожки. Между третьей и четвертой дорож-

ками ПЛ перфорируется синхродорожка, не несущая никакой информации и

предназначенная для синхронизации момента считывания информации в ФСУ

при транспортировке ПЛ.

Представление на перфоленте символов (N19…) показано на рисунке 15.1, а

кодировка – в таблице 15.1.

Погрешности

из-за неточного

расположения

1-ая дор.

2-ая дор.

3-ая дор.

Син.

дор.

4-8 дор.

N19 …

91N

...

Рис. 15.1. Представление символов на ПЛ и временные диаграммы считы-

вания информации

Таблица 15.1.

Кодировка наиболее употребляемых символов в коде ISO-7 бит

1-ая дорожка

АЯ

ДОРО

КА

символы

светодиоды

фотодиоды

синхродорожка