Назад
МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДКРАЦИИ
О.А. ГОТШАЛЬК
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ
Конспект лекций
Санкт-Петербург
1998
2
Утверждено редакционно-издательским советом института
УДК 621. 9. 06 - 529 (07).
О.А. Готшальк. Системы автоматизации и управления. Конспект лекций. -С-
Пб. : СЗПИ, 1998, 35 с.
Конспект лекций включает материал, который читается в соответствии с ра-
бочими учебными планами по специальностям:
120100 по дисциплинеАппаратные и программные средства систем управления”,
120500 и 120800 по дисциплинеУправление техническими системами”,
210200 по дисциплинеСистемы автоматизации и управленияч.1.
В конспекте лекций помещены теоретические основы числового программно-
го управления технологическим оборудованием на базе микропроцессорной техни-
ки. В конспекте лекций изложены вопросы общих принципов построения, структу-
ры, методов линейной и круговой интерполяции, а также правил кодирования ис-
ходной информации в коде ИСО-7 бит.
Рассмотрено на заседании кафедры автоматизации производственных процес-
сов одобрено методической комиссией факультета машиностроения
Рецензенты: кафедра автоматики и телемеханики ИТМО, В.О. Никифоров, к.
т. н., доцент; кафедра автоматизации производственных процессов СЗПИ.
Автор: Готшальк Олег Алексеевич, к. т. н., доцент.
С
Северо - Западный заочный политехнический институт, 1998.
3
1. ПРИНЦИПЫ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
Под управлением металлорежущими станками будем понимать перемещение
заготовки относительно режущего инструмента или движение режущего инстру-
мента относительно заготовки по заранее рассчитанной траектории при заданной
скорости движения режущего инструмента и точности обработки.
Такое управление производится специальным устройством без участия чело-
века, но по заранее составленной им программе, и называется программным управ-
лением.
Программное управление станками прошло в своем развитии несколько эта-
пов.
Этап первый
(рис. 1).
На рисунке 1 сделаны следующие обозначения: подвижный стол 1, шаблон 2,
механические тяги со щупом 3, заготовка 4, режущий инструмент 5, силовой привод
6, привод подач 7. При перемещении стола приводом подач слева направо щуп пе-
ремещается по поверхности шаблона. Перемещение щупа повторяет режущий инст-
румент, что приводит к образованию формы детали подобной форме шаблона. Осо-
бенность рассматриваемого принципа программного управления: возможность об-
работки объемных поверхностей и задание управляющей программы в виде шабло-
на.
Достоинства: повышенная точность обработки и производительность труда.
Недостатки : сложность создания управляющей программы и наличие меха-
нических соединений.
Этап второй
(рис. 2).
На рисунке 2 сделаны следующие обозначения: датчик положения 3, выраба-
тывающий электрический сигнал пропорциональный величине перемещения щупа,
(цифры 1, 2, 4, 5, 6, 7 смотри на рисунке 1), электропривод 8 обеспечивает переме-
щение режущего инструмента в соответствии с величиной электрического сигнала
датчика положения, рейка с зубчатым колесом 9, преобразующая вместе с электро-
приводом электрический сигнал в вертикальное перемещение режущего инструмен-
та.
Особенность рассматриваемого принципа программного управления: замена
механических соединений электроприводом .
Достоинства: повышение точности обработки при снижении затрат на
изготовление станка. Недостатки: сложность создания управляющей программы.
Этап третий (рис. 3).
На рисунке 3 сделаны следующие обозначения: ленточный магнитофон 2 с
записью электрического сигнала аналогичного электрическому сигналу датчика по-
ложения, (цифры 1, 4, 5, 6, 7, 8, 9 смотри на рисунке 2 ).Особенность рассматри-
ваемого принципа программного управления: для создания управляющей програм-
мы необходимо иметь специальное оборудование, позволяющее записать на маг-
нитную ленту магнитофона сигнал на перемещение режущего инструмента.
4
Достоинства: нет необходимости изготавливать шаблон и отсутствие механических
соединений.
Недостатки: наличие магнитной ленты приводит к низкой точности работы
станка (разрывы и растяжения ленты).
Этап четвертый
(рис. 4 ).
На рисунке 4 сделаны следующие обозначения: устройство программного
управления 2 в виде специализированной вычислительной машины дискретного
действия, электропривод подач 3 для перемещения заготовки по оси У, электро-
привод подач 4 для перемещения заготовки по оси Х, заготовка 5, силовой привод
6.
Особенность рассматриваемого принципа программного управления: про-
грамма управления задается на перфоленте в виде чисел; в программе задаются ко-
ординаты начальных и конечных точек участков детали с определенными характе-
рами обработки; устройство программного управления получив из управляю щей
программы координаты опорных точек и характер траектории между этими точка-
ми само вырабатывает промежуточные координаты, преобразует их в электриче-
ский сигнал и выводит его на приводы подач.
Достоинства: простота задания управляющей программы, высокая точность
обработки, быстрый переход от одной управляющей программы к другой.
Недостатки: сложность устройства управления, необходимость высокой ква-
лификации обслуживающего персонала.
2. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ УСТРОЙСТВ ЧПУ
Систе-
мы числового программного управления (СЧПУ) - это совокупность функцио-
нально взаимосвязанных технических и программных средств, предназначенных
для управления станками в автоматическом режиме. К техническим средствам от-
носятся станок, устройства подготовки управляющих программ, устройства управ-
ления станком, устройства размерной настройки режущего инструмента и т.д. К
программным средствам относятся инструкции, методики, техническое и функцио-
нальное программирование и т.д.
Программа управления - это группа команд, составленных на языке данной
системы управления и предназначенных для управления станком в автоматическом
режиме.
Числовое программное управление базируется на программе, в которой ко-
манды выражены в виде чисел.
Устройство числового программного управления (УЧПУ) - это часть системы
числового программного управления, управляющее работой станка по командам,
поступающим из управляющей программы.
УЧПУ выполняют две основные функции :
1. формирование траектории движения режущего инструмента;
2. управление автоматикой станка.
В настоящее время в промышленности используются два вида устройств
ЧПУ.
5
1. УЧПУ четвертого поколения типа NC
(Numerical Control - цифровое
управление).
УЧПУ типа NC состоят из блоков, каждый из которых решает лишь одну кон-
кретную задачу общей программы управления. Логика работы этих блоков реализу-
ется за счет соответствующего построения их электрических схем.
. На рисунке 5 представлена обобщенная структурная схема УЧПУ типа NC. На
этом рисунке сделаны следующие обозначения:
УП - управляющая программа, поступающая с перфоленты;
УВИ - устройство ввода информации; преобразует команды, заданные на перфолен-
те в виде отверстий, в электрические сигналы; контролирует вводимую информа-
цию на предмет наличия помех и соблюдение правил программирования;
БП - буферная память для временного хранения введенной информации одного кад-
ра управляющей программы;
И - интерполятор, формирующий траекторию движения режущего инструмента;
БЗС - блок задания скорости перемещения режущего инструмента;
БИ - блок индикации работы УЧПУ;
БР - блок реле для формирования команд управления автоматикой станка;
ПП - приводы подач станка;
УАС - устройства автоматики станка.
После того как составленная управляющая программа нанесена на перфолен-
ту, а перфолента установлена в устройство ввода информации (УВИ), происходит
считывание программы, проверка ее на предмет наличия помех и нарушений пра-
вил программирования. После этого информация в объеме одного кадра программы
в соответствии с заданными в программе адресами заносится в буферную память
(БП). После отработки предыдущего кадра программы информация из буферной
памяти поступает в различные блоки УЧПУ в соответствии с заданными адресами:
геометрическая информация на перемещение режущего инструмента в интерполя-
тор (И), информация о скорости движения режущего инструмента в блок задания
скорости (БЗС), а технологические команды в блок реле (БР). Интерполятор посы-
лает сигналы на приводы подач (ПП), которые обеспечивают перемещение режуще-
го инструмента по заданной в программе траектории. Одновременно на блок реле
(БР) подаются команды, обеспечивающие включение или выключение тех или иных
устройств автоматики станка (УАС).
2. УЧПУ пятого поколения типа CNC (Computer Numerical Control - компь-
ютерное цифровое управление).
УЧПУ типа CNC базируются на работе мини ЭВМ, в которой логика работы
задается программным методом. Одно и то же УЧПУ с мини ЭВМ может реализо-
вывать различные функции управления за счет изменения программы управления
работой мини ЭВМ.
Обобщенная структурная схема УЧПУ типа CNC представлена на рисунке 6.
На этом рисунке сделаны следующие обозначения:
ПО - пульт оператора, позволяющий вводить управляющую программу и задавать
режимы работы;
6
Д - дисплей для визуального контроля режимов работы и редактирования введен-
ных управляющих программ;
мини ЭВМ - устройство, решающее задачи формирования траектории движения
режущего инструмента, технологических команд управления устройствами автома-
тики станка, общим управлением УЧПУ, редактирования управляющих программ,
диагностики УЧПУ и вспомогательных расчетов (траектории движения режущего
инструмента, режимов резания);
ПЗУ - постоянное запоминающее устройство для хранения системных программ и
констант; информация из ПЗУ может только считываться; заносится информация в
ПЗУ на заводе изготовителе;
ОЗУ - оперативное запоминающее устройство для временного хранения управляю-
щих программы и системных программ, используемых УЧПУ в данный мо
мент.
После того как технолог составил управляющую программу оператор вводит
ее в УЧПУ посредством клавиатуры пульта оператора (ПО). Команды управляющей
программы записываются в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). После
ввода управляющей программы оператор может отредактировать ее, включив в ра-
боту системную программу редактора и выводя на дисплей (Д) всю или нужные
части управляющей программы и внося в них требуемые изменения. При работе
УЧПУ в режиме изготовления детали управляющая программа кадр за кадром счи-
тывается из оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и поступает в
мини ЭВМ. В соответствии с командами управляющей программы мини
ЭВМ вызывает из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) соответствующие
системные программы, которые заставляют работать мини ЭВМ в требуемом режи-
ме. Результаты работы мини ЭВМ в виде электрических сигналов поступают либо
на приводы подач (ПП), либо на устройства управления автоматикой станка (УАС).
3. СТРУКТУРА ПРИВОДА ПОДАЧ
В настоящее время в станках с программным управлением используются два
вида приводов подач.
1. Разомкнутый привод подач (
шаговый
).
В основу работы такого привода
положен шаговый электрический двигатель, который обеспечивает надежное и ста-
бильное перемещение режущего инструмента на строго определенную величину по
пришествии из УЧПУ на шаговый двигатель одного электрического импульса. Этим
объясняется отсутствие в приводе контроля за текущим действительным положени-
ем режущего инструмента (отрицательной обратной связи по положению).
Обобщенная структурная схема разомкнутого привода подач представлена на
рисунке 7. На этом рисунке сделаны следующие обозначения:
УЧПУ - устройство числового программного управления;
СУ - схема управления шаговым двигателем;
УМ - усилитель электрической мощности сигнала , поступающего на вход шагового
двигателя;
ШД - шаговый двигатель, у которого вал ротора поворачивается на строго опреде-
ленный угол по пришествии на вход двигателя одного электрического импульса;
7
СЗ - следящий золотник, обеспечивающий подачу на гидродвигатель жидкости под
давлением;
НС - насосная станция, обеспечивающая гидродвигатель жидкостью под давлением;
ГД - гидродвигатель для силового перемещения объекта управления станка (суп-
порта, подвижного стола);
ОУ - объект управления станка.
В результате расчета очередной координаты режущего инструмента УЧПУ
посылает в схему управления (СУ) электрический импульс для перемещения объек-
та управления станка (режущего инструмента) на строго определенную величину.
После сформирования в схеме управления (СУ) команды управления и усиления ее
по мощности в усилителе мощности (УМ) последняя подается на шаговый двига-
тель (ШД). В результате этого ротор шагового двигателя поворачивается на строго
определенный угол, открывая следящий золотник (СЗ). Жидкость под давлением из
насосной станции (НС) через следящий золотник (СЗ) поступает в гидродвигатель
(ГД), в результате чего объект управления (ОУ) начинает перемещаться одновре-
менно постепенно закрывая следящий золотник (СЗ). Переместившись на заданную
величину объект управления (ОУ) полностью закроет следящий золотник (СЗ) и
привод прекращает перемещение объекта управления (ОУ).
Фиксированная величина перемещения объекта управления станка (режущего
инструмента) в результате поступления на привод подач с УЧПУ одного электриче-
ского импульса называется дискретой.
Количество дискрет характеризует величину перемещения, а количество дис-
крет в единицу времени, пришедших на привод подач, характеризует скорость пе-
ремещения объекта управления.
2. Замкнутый привод подач (следящий). Основу замкнутого привода подач
составляет двигатель постоянного тока с широким диапазоном регулирования час-
тоты вращения вала ротора под нагрузкой. В данном приводе имеется устройство,
позволяющее постоянно контролировать текущее положение объекта управления и
сравнивать это положение с заданным устройством ЧПУ.
Обобщенная структурная схема представлена на рисунке 8. На этом рисунке
сделаны следующие обозначения:
УЧПУ - устройство числового программного управления;
СС - схема сравнения заданного перемещения режущего инструмента и действи-
тельного;
ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь, преобразующий сигнал схемы сравне-
ния выраженный в дискретной форме в сигнал в виде напряжения, амплитуда кото-
рого пропорциональна цифровому значению сигнала схемы сравнения;
УМ - усилитель электрической мощности;
ИД - исполнительный двигатель постоянного тока;
Р - редуктор для понижения частоты вращения вала ротора исполнительного двига-
теля и преобразования вращения ротора исполнительного двигателя в линейное пе-
ремещение объекта управления;
ОУ - объект управления;
ДОС -датчик обратной связи для преобразования линейных перемещений объекта
управления в пропорциональный электрический сигнал.
8
Если на привод подач с УЧПУ поступает унитарный код (последовательность
электрических импульсов, каждый импульс которой характеризует перемещение
объекта управления на одну дискрету), то в качестве датчика обратной связи ис-
пользуется вращающийся трансформатор в импульсном режиме, а в качестве схемы
сравнения реверсивный счетчик. Импульсы поступающие с УЧПУ на счетчике сум-
мируются, а импульсы, поступающие с датчика обратной связи в счетчике вычита-
ются из импульсов поступивших из УЧПУ.
Если на привод подач с УЧПУ поступает сигнал в виде числовой комбинации
(числа, характеризующего величину перемещения), то в качестве датчика обратной
связи используется кодовый датчик, а в качестве схемы сравнения используется
сумматор, позволяющий производить операцию вычитания кодовой комбинации,
поступившей с датчика обратной связи, из кодовой комбинации, записанной ранее в
сумматор устройством ЧПУ.
Как и в случае разомкнутого привода подач в замкнутом приводе подач спра-
ведливо понятие дискреты.
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И НАЗНАЧЕНИЕ ИНТЕРПОЛЯТОРА
Интерполятором называется устройство, формирующее траекторию движе-
ния режущего инструмента по заданному закону (с заданными скоростью и точно-
стью) между двумя опорными точками контура детали, координаты которых указа-
ны в управляющей программе. Часто под интерполятором подразумевают мини
ЭВМ, работающую по определенной программе.
Опорные точки характеризуют начало и конец траектории, по которой пере-
мещается режущий инструмент, обрабатывая один элемент контура заготовки дета-
ли с определенным характером траектории.
В подавляющем большинстве случаев в настоящее время используются ли-
нейные и круговые интерполяторы. Линейные интерполяторы обеспечивают фор-
мирование траектории в виде прямой линии. Круговые интерполяторы формируют
траекторию в виде окружности или ее части (дуги окружности).
Интерполяторы могут работать по методу оценочной функции или по методу
цифровых дифференциальных преобразователей. Рассмотрим принципы работы ин-
терполяторов, работающих по методу оценочной функции.
5. ЛИНЕЙНЫЙ ИНТЕРПОЛЯТОР
Предположим, что задано перемещение режущего инструмента между опор-
ными точками A
o
и A
k
плоскости ХУ (рис. 9). Каждая точка плоскости характери-
зуется коэффициентом
9
K
i
j
=
Υ
Χ
где Χ
j
и
Υ
i
- текущие координаты произвольно выбранной точки, выраженные в
дискретах, j и i - количество шагов, которое нужно было сделать по осям координат,
чтобы попасть в заданную точку. Точки, лежащие на прямой A
o
A
k
, характеризуют-
ся коэффициентом
K
k
k
=
Υ
Χ
где
Χ
k
и
Υ
k
- координаты конечной опорной точки заданной прямой.
В зависимости от знака разности коэффициентов
H
ji
i
j
k
k
,
=−
Υ
Χ
Υ
Χ
(5.1)
плоскость ХУ делится на три области.
Первая область над прямой
AA
ok
, где H>0.
Вторая область под прямой AA
ok
, где H<0.
Третья область на прямой AA
ok
, где H=0.
Каждый интерполятор имеет свой алгоритм работы. Будем считать, что дан-
ный линейный интерполятор работает по следующему алгоритму.
1. Если Н
0, то интерполятор вырабатывает и посылает на привод подач один
электрический импульс для перемещения режущего инструмента на одну дискрету
по оси Х.
2. Если Н<0, то интерполятор вырабатывает и посылает на привод подач один элек-
трический импульс для перемещения режущего инструмента на одну дискрету по
оси У.
3.После каждого очередного шага вновь рассчитывается новое значение оценочной
функции.
Так как режущий инструмент в рассматриваем случае перемещается по двум
координатам, то и УЧПУ должно иметь два привода подач.
Упростим выражение (5.1). Приведем его к общему знаменателю и использу-
ем только числитель, как носитель знака. Получим выражение оценочной функции
вида
F
jiikkj,
=−⋅ΥΧΥΧ (5.2)
Произведем упрощение и выражения (5.2) в предположении, что интерполятор
имеет возможность запоминать по какой координате был сделан предыдущий шаг.
1. Предположим, что предыдущий шаг был сделан по оси Х. Тогда текущая коорди-
ната режущего инструмента будет равна предыдущей координате плюс одна дис-
крета
Χ
Χ
jj+
1
1
Подставим это выражение в формулу (5.2).
FF
jiikkjikkjkjik+
1
1
,,
()
Υ
Χ
Υ
Χ
Υ
Χ
Υ
Χ
Υ
Υ
Следователь-
но, после очередного шага по оси Х новое значение оценочной функции рассчиты-
10
вается как разность между предыдущим значением оценочной функции и координа-
той конечной опорной точки по оси У.
2. Предположим, что предыдущий шаг был сделан по оси У. Тогда текущая коорди-
ната режущего инструмента будет равна предыдущей координате плюс одна дис-
крета
Υ
Υ
ii+
1
1
Подставим это выражение в формулу (5.2).
F
jiikkj,
()
+
1
1
Υ
Χ
Υ
Χ
Υ
Χ
Υ
Χ
Χ
ikkjk
F
jik,
Χ
Следователь-
но, после очередного шага по оси У новое значение оценочной функции рассчиты-
вается как сумма предыдущего значения оценочной функции и координаты конеч-
ной опорной точки по оси Х.
Пример
. Рассчитать и построить траекторию движения режущего инструмен-
та при
Χ
k
5 и
Υ
k
3.
1. В начальный момент времени (в точке A
o
) оценочная функция равна нулю и шаг
делается по оси Х. После шага производится расчет нового значения оценочной
функции.
FF
k1000
033
,,
Υ
2. Новое значение оценочной функции получилась меньше нуля. Очередной шаг
делается по оси У. После шага по оси У вновь рассчитывается новое значение оце-
ночной функции.
FF
k1110
352
,,
Χ
3. F
11
0
,
,
очередной шаг делается по оси Х; новое значение оценочной функции
FF
k2111
231
,,
Υ
4.
F
21,
0
, очередной шаг делается по оси У; новое значение оценочной функции
FF
k2221
154
,,
Χ
5. F
22,
0
, очередной шаг делается по оси Х; новое значение оценочной функции
FF
k3222
431
,,
Υ
6. F
32
0
,
, очередной шаг делается по оси Х; новое значение оценочной функции
FF
k4232
132
,,
Υ
7. F
42
0
,
, очередной шаг делается по оси У; новое значение оценочной функции
FF
k4342
253
,,
Χ
8. F
43
0
,
, очередной шаг делается по оси Х; но
вое значение оценочной функции
FF
k5343
330
,,
Υ
Линейный интерполятор прекращает работу если он сделал по осям коорди-
нат столько шагов, сколько их было задано в задании (5 шагов по оси Х и 3 шага по
оси У).
На рисунке 10 показана действительная траектория движения режущего инст-
румента, обозначенная точками 0-8. Как видно из рисунка, траектория является ло-
манной кривой, каждая ступенька которой равна одной дискрете. Особенностью