Чикуров Н.Г. Алгоритмическое и программное обеспечение компьютерных систем управления

Подождите немного. Документ загружается.

1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ЧПУ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ

Ключевые слова:

Аварийное предупреждение, архитектура системы ЧПУ,

виртуальные клавиши, внешние сообщения, возврат после

прерывания, вычислительная сеть, задачи вычислительные, задачи

управленческие, интерполятор, интерпретатор, интерфейс

оператора, клиент-сервер, компьютерная система управления,

модуль Look Ahead, открытые системы, параметры, программа

управления, программоноситель, промышленная шина,

распределенная система, режим автоматическая работа, режим

ввод программы, режим покадровая отработка, режим ручное

управление, режимные клавиши, система ЧПУ типа CNC, система

ЧПУ типа DNC, система ЧПУ типа ICNC, система ЧПУ типа NC,

система ЧПУ типа PCNC, система ЧПУ, специальные клавиши,

текущее положение, устройство ЧПУ, числовое управление.

1.1. Краткая характеристика систем

автоматического управления станками

Управление станком – процесс воздействия на него для

выполнения требуемого технологического процесса обработки детали

с заданной точностью и производительностью. Оно может

осуществляться вручную – человеком или автоматически – системой

автоматического управления, которая работает по заранее заданной

программе.

Программа управления – это последовательность команд,

обеспечивающих заданное функционирование рабочих органов

станка. Элемент, несущий на себе программу управления, называется

программоносителем. В токарных станках-автоматах,

программоносителем являются кулачки; в копировальных станках –

копиры; в станках с ЧПУ основным программоносителем служит

перфолента, магнитные диски или иные носители информации.

Исходным документом для изготовления любого программоносителя

(кулачка, копира, перфоленты и т. д.) является чертеж детали,

поэтому управление обработкой на станке можно рассматривать как

процесс передачи информации, содержащейся в чертеже на деталь.

1.2. 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.

Рассмотрим простейшую схему токарного станка с ЧПУ (рис.1.1).

Рис. 1.1. Простейшая схема станка с ЧПУ: УЧПУ – устройство

ЧПУ; УП – управляющая программа; Дx, Дz – двигатели приводов

подачи; ДОСx, ДОСz – датчики обратной связи по осям

Рассматривая даже такую простую схему станка с ЧПУ, можно

заметить ряд особенностей числового метода задания программы [1]:

1) в системе управления нет элементов (кулачков, толкателей,

копиров), износ или точность изготовления которых могли бы

повлиять на точность обработки детали;

2) отсутствует необходимость в длительной переналадке

(перестройке) станка при переходе на новую деталь;

3) возможна автоматизация обработки сколь угодно сложной

детали;

4) возможно многостаночное обслуживание и создание

автоматических линий 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 производства,

что особенно важно для оборонной и авиационной

промышленности.

1.3. Общие принципы построения компьютерных

систем управления

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 большую

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 [1].

Перечислим основные функции компьютерных устройств ЧПУ:

1 редакция управляющих программ,

2 программирование на рабочем месте,

3 параметрическое программирование,

4 стандартные циклы,

5 выполнение функций электроавтоматики станка,

6 диагностический контроль системы 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.

Рассмотрим классификацию компьютерных систем ЧПУ.

§ NC (Numerical Control) – управление обработкой на станке по

программе, заданной в алфавитно-цифровом коде (обычные

аппаратные устройства ЧПУ),

§ CNC (Computer Numerical Control) – устройство ЧПУ,

содержащее в своём составе ЭВМ или процессор для

выполнения основных функций управления,

§ PCNC (Personal Computer Numerical Control) – устройство ЧПУ

типа CNC на основе персонального компьютера,

§ ICNC (Industrial Computer Numerical Control) – разновидность

устройств ЧПУ типа CNC на базе компьютера промышленного

исполнения,

§ DNC (Direct Numerical Control) – системы управления группой

станков от центральной ЭВМ, осуществляющей хранение

программ и распределение их по запросам от устройств ЧПУ.

1.4. Состав устройства ЧПУ типа CNC

Рассмотрим основные аппаратные блоки, составляющие

компьютерную систему ЧПУ (рис. 1.2).

3 4

14 12

RS-485

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 с внешними устройствами

Рис.1.2. Состав устройства ЧПУ

Детализируя основные функции компьютерных устройств ЧПУ

можно выделить четыре главные задачи управления [1]:

1 управление формообразованием,

2 взаимодействие устройства ЧПУ с оператором,

3 управление электроавтоматикой станка,

4 управление рабочим процессом станка

1.5. Архитектура системы ЧПУ класса ICNC.

В компьютерной системе ЧПУ класса ICNC (Industrial Computer

Numerical Control) [11] решены наиболее важные для обработки

деталей технологические задачи, в числе которых пространственная

3D-коррекция. Система содержит ряд оригинальных алгоритмов: 3D-

коррекция, сплайновая аппроксимация векторных функций,

высокоскоростная сплайновая интерполяция, функции

предварительного просмотра (Look-Ahead) и др., которые позволяют

использовать эту систему для обработки сложнопрофильных деталей

на многокоординатных станках.

Организация архитектуры СЧПУ класса ICNC. Данная

СЧПУ является распределенной системой и включает сервер

исполнения управляющих программ (УП), интерфейс оператора и

контроллеры управления приводами и электроавтоматикой (рис.1.3).

Основной объем вычислений производится в сервере

исполнения УП на компьютере с ОС Windows. Здесь выполняются

все расчеты по формообразованию деталей, происходит подготовка

данных для рабочих мест и обмен данными с приводным

контроллером. С помощью интерфейса оператора отображается

текущее состояние системы, осуществляется верификация и хранение

УП, графически отображается процесс обработки. Контроллер

управления приводами и электроавтоматикой связан с сервером

исполнения УП по сети Ethernet и оснащен ОС реального времени

QNX, что обеспечивает необходимую точность и своевременность

позиционирования приводов за счет подачи управляющих

воздействий с дискретностью в 1 мс.

Рис. 1.3. Структурная схема СЧПУ

В связи с тем, что сервер исполнения УП работающий под

управлением ОС Windows не в состоянии генерировать управляющие

воздействия с такой дискретностью, в рассматриваемой СЧПУ данные

с сервера поступают в приводной контроллер с опережением и

хранятся там в кольцевом буфере. Эти данные представляют собой

условные пакеты, каждый из которых содержит 10 последовательных

приращений по каждой координате, отрабатываемых в приводном

контроллере за 10 мс. В результате период генерации пакета

управляющих воздействий в ОС Windows увеличен до 100 мс, что

позволяет существенно снизить требования к быстродействию ОС и

пропускной способности сетевого канала между сервером

исполнения ОС и приводным контроллером.

Основной компонентой СЧПУ является сервер исполнения УП.

Он реализован в виде многопоточного приложения, позволяющего

одновременно рассчитывать траекторию движения инструмента,

обмениваться командами, выдавать данные о состоянии СЧПУ и

приращениях интерполяции и т.д. Все составляющие этого

приложения являются независимыми отдельными модулями, каждый

из которых выполняется в своем потоке, реализует свою конкретную

задачу и связан с другими модулями посредством универсальных

потокозащищенных кольцевых буферов.

Выполняется данное приложение в виде Windows сервиса, т.е.

инициализируется при запуске системы и работает непрерывно до

окончания работы ОС независимо от использования конкретных

учетных записей пользователей, что значительно увеличило

надежность и защищенность системы.

В качестве механизма отношений между сервером исполнения

УП и рабочими местами оператора, в соответствии с принципами

построения открытых систем, используется архитектура типа клиент-

сервер и реализован обмен данными на основе протокола XML, что

обеспечило удобство реализации и будущего расширения системы.

Универсальность технологии XML позволяет реализовать рабочее

место оператора на основе любой современной SCADA системы.

Интерпретатор является составной частью программного

обеспечения СЧПУ и предназначен для формирования команд и

данных, передаваемых различным модулям. На вход интерпретатора

поступает текст УП в стандарте ISO-7 bit. Основные функции

интерпретатора: предварительная проверка кадров УП; адаптация

СЧПУ к синтаксису и семантике языка УП, выбранного

пользователем; распределение информации по модулям СЧПУ.

Сначала интерпретатор формирует информацию для

интерполятора в виде IPD (Interpolation Packets Data)-кодов, которые

генерируются в соответствии с семантикой текущего и смежного

кадров УП, историей отработки предыдущих кадров, текущим

режимом работы и состоянием СЧПУ. Затем IPD-коды

преобразуются транслятором в пакеты, которые направляются в

модуль функционального разгона-торможения, модуль Look Ahead и

потом в интерполятор.

Модуль функционального разгона-торможения предназначен

для управления величиной шага интегрирования макроинтерполятора

в режимах разгона и торможения. Этот модуль обеспечивает плавное

трогание и разгон электроприводов от начальной скорости до

запрограммированной, а также плавное торможение от

запрограммированной скорости до конечной, на рабочих подачах и в

процессе позиционирования.

На вход модуля поступают значения текущей длины траектории

перемещения центра инструмента и контурной скорости. В модуле

рассчитывается текущая скорость подачи в каждом такте

интерполяции. По окончании отработки каждого кадра УП

обеспечивается перемещение исполнительного органа в конечную

точку с заданной скоростью.

Модуль Look Ahead служит для контроля скоростей подачи,

заданных в некоторой последовательности кадров УП. Если,

например, путь в кадре мал («короткий кадр») и при ограниченном

допустимом ускорении нельзя плавно изменить скорость на требуемую

величину, то пересчитываются скорости подачи в одном или в ряде

кадров. Этот модуль анализирует параметры процесса обработки в

каждом кадре УП и контролирует контурную скорость и ускорение,

которые проверяются и корректируются с учетом допустимых

значений, заданных для каждой координаты. Кроме того, контроль

контурной скорости осуществляется в следующих случаях: в конце

кадра; в точках изменения модуля и (или) направления вектора

контурной скорости; в «коротких кадрах»; при движении по

окружности малого радиуса (при этом вследствие аппроксимации

дуги окружности хордами стрелка прогиба может превысить

допустимое значение). В результате работы модуля Look Ahead

определяются новое значение контурной скорости и скорость в конце

отработки кадра (конечная скорость).

Интерполятор является автономным модулем СЧПУ и

предназначен для линейной, круговой и сплайн-интерполяции, а

также для комбинации разных видов интерполяции. Для решения

задачи управления точностью обработки интерполятор рассчитывает

траекторию движения центра инструмента и перемещение центра его

поворота. На основе этих расчетов осуществляется пространственная

коррекция размеров обрабатываемых деталей.

Интерполятор посредством модуля связи обеспечивает передачу

на рабочее место оператора параметров интерполяции, а также

следующих оперативных сигналов управления: пуск, стоп, аварийная

остановка, маска аварийного состояния концевых выключателей,

установка в ноль, команды ручного управления приводами подачи,

выход электроприводов в фиксированную точку, установка

абсолютных значений координат и др.

С выходов интерполятора на приводной контроллер поступают

данные об абсолютных значениях всех координат, их приращениях за

каждый таймерный период, о скорости приращений, о номере

текущего кадра УП, а также о состоянии интерполятора.

Интерполятор содержит ряд независимых модулей: диспетчер

интерполятора; модуль разгона-торможения; линейный, круговой и

сплайн-интерполяторы; модули ручного управления, выхода в

фиксированную точку, коррекции и расчета пространственных

эквидистант; сумматор.

Все модули запрограммированы на языке Visual C++ с

применением объектно-ориентированного подхода. Они оформлены в

виде инвариантных программных модулей, собранных в библиотеку,

которая может совершенствоваться и пополняться. Большой выбор

программных модулей позволяет решать сложные технологические

задачи.

В целях расширения технологических возможностей обработки

сложнопрофильных деталей в интерполяторе предусмотрены

дублирование программных модулей и объединение их в группы по

функциональному признаку. Модули, участвующие в отработке

заданного кадра УП, инициализируются с помощью специальных

кодов, которые формируются в трансляторе и передаются в

соответствующие модули интерполятора. Благодаря такому способу

кодирования достигается гибкость и возможность расширения

интерполятора, что важно для создания СЧПУ класса ICNC с

открытой архитектурой.

Второй компонентой СЧПУ является рабочее место

оператора. С переходом на ОС Windows, в которой используется

графический интерфейс пользователя, к задаче создания рабочего

места предъявляются новые требования в отношении гибкости,

настраиваемости и необходимости создания объектной структуры

программного обеспечения.

Графические библиотеки ОС Windows, библиотеки Direct 3D, а

также принцип модульности дают возможность построить гибкий

интерфейс оператора (рис. 1.4) с большим выбором графических

возможностей. Рабочее место оператора разработано в среде

программирования Microsoft Visual C++ в виде трех приложений:

приложение, реализующее основное окно оператора,

специализированный редактор УП; модуль, визуализирующий

построение контуров обработки в трехмерном пространстве.

Рис. 1.4. Интерфейс рабочего места оператора