Командоаппараты и программируемые устройства циклового управления


Программируемые контроллеры

Рассмотрим вначале ряд определений.

Микропроцессор (МП) — это программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации, представленной в двоичной форме, и управления процессом этой обработки, реализованное на одной или нескольких больших интегральных схемах (БИС). Другими словами, МП — это стандартное универсальное устройство, позволяющее реализовать прием, обработку и передачу цифровой информации.

Микропроцессорная система (МПС) — это совокупность взаи­мосвязанных устройств, включающая в себя один или несколько МП, память — запоминающее устройство (ЗУ), устройства ввода-вывода (УВВ) и ряд других устройств, предназначенных для выполнения некоторых четко определенных функций.

Микроконтроллер(МК) — устройство, выполняющее функции логического анализа (сложные последовательности логических операций) и управления, реализуемое на одной или нескольких БИС. Данное микропроцессорное устройство, в отличие от МП рассчитанное для узкоспециализированного применения, за счет сокращения функций по выполнению арифметических опе­раций позволяет уменьшить его аппаратную сложность и развить функции логического управления.

В устройствах циклового управления в числовом виде программа содержит информацию только о цикле и режимах обработки, а величину перемещения рабочих органов задают настройкой упоров. Цикловые системы отличаются от числовых сравнительно простой структурой, но имеют меньшие технологические возможности. Станки с цикловым программным управлением (ЦПУ) целесообразно применять для обработки деталей несложных геометрических форм при значительной длительности обработки партии деталей в крупносерийном производстве. Блоки циклового управления могут входить в состав системы ЧПУ, например для задания циклов смены инструмента. Цикловое программное управление применяется также в копировальных станках. При этом геометрические размеры обработки задаются копиром, а режимы работы и ускоренные подвод/отвод определяются цикловым управлением.

Программируемый контроллер (ПК) — устройство, осуществляющее управление электроавтоматикой с помощью определенных алгоритмов, реализованных программой, хранящейся в памяти устройства. Программируемый контроллер (командоаппарат) может либо применяться автономно в системе ЦПУ, либо входить в состав общей системы управления (например, системы управления ГПМ), а также применяться для управления оборудованием автоматических линий, складов ГПС и др. Структурная схема ПК приведена на рис.1.1.

Модули ввода (входные модули) формируют сигналы, поступающие от разных периферийных устройств (конечных выключателей, электрических аппаратов, тепловых реле и т.п.). Данные сигналы имеют оптронную развязку. Сигналы, поступающие на вход, имеют, как правило, два уровня «0» и «1». Модули вывода (выходные модули) подают сигналы на управляемые исполнительные устройства электроавтоматики станка (контакторы, пускатели, электромагниты, сигнальные лампы, электромагнитные муфты и т.д.). При выходном сигнале «1» соответствующее устройство получает команду на включение, а при выходном сигнале «0» — на выключение.

В соответствии с параметрами управляемых устройств модули вывода имеют силовые (транзисторные) электронные ключи, рассчитанные на соответствующую силу тока (постоянного DС или переменного АС) и обеспечивающие подачу на исполнительное устройство необходимого по величине электрического напряжения.

Рис. 1.1. Структурная схема программируемого контроллера:

1 — процессор; 2 — таймер и счетчики; 3 — перепрограммируемая память; 4 — оперативная память (ОЗУ); 5 — общая шина связи блоков; 6 — блок связи с устройством ЧПУ или ЭВМ; 7 — блок подключения пульта для программирова­ния; 8— модули ввода; 9— коммутатор ввода-вывода; 10— модули вывода; 11 — пульт программирования с клавиатурой и дисплеем

Процессор с памятью решает логические задачи управления модулями вывода на основании информации, поступающей на модули ввода, и алгоритмов управления, введенных в память. Таймеры настраивают на обеспечение выдержек времени в соответствии с циклами работы ПК. Счетчики также решают задачи реализации цикла работы ПК.

Ввод программы в память процессора и ее отладка выполняются с помощью специального переносного пульта, временно подключаемого к ПК. Этим пультом, представляющим собой устройство записи программы, можно поочередно обслуживать насколько ПК. В процессе записи программы на дисплее пульта отображается текущее состояние управляемого объекта в релейных символах или условных обозначениях. Ввод программы может также осуществляться через блок связи с устройством ЧПУ или ЭВМ.

Всю программу, хранящуюся в памяти, можно разбить на две части: основную, представляющую собой алгоритм управления объектом, и служебную, обеспечивающую обмен информацией между ПК и управляемым объектом. Обмен информацией между ПК и управляемым объектом состоит в опросе входов (получение информации из управляемого объекта) и переключения выходов (выдача управляющего воздействия в управляемый объект). В соответствии с этим служебная часть программы состоит из двух этапов: опроса входов и переключения выходов.

Программируемый логический контроллер (ПЛК) — это мик­ропроцессорная система, предназначенная для реализации алгоритмов логического управления. Контроллер предназначен для замены релейно-контактных схем, собранных на дискретных компонентах — реле, счетчиках, таймерах, элементах жесткой логики. Принципиальное отличие ПЛК от релейных схем заключается в том, что все его функции реализованы программно. На одном ПЛК можно реализовать схему, эквивалентную тысячам элементов жесткой логики, при этом надежность работы схемы не зависит от ее сложности. Программировать ПЛК можно на пяти языках стандарта IЕС 1131.3:

релейно-контактных схем (Ladder Diagram);

функциональных блоковых диаграмм (Functional Block Diagram);

последовательных функциональных схем (Sequential Function Chart);

структурированного текста (Structured Text);

ассемблер (Instruction List).

Современный ПЛК может обрабатывать дискретные и аналоговые сигналы, управлять клапанами, шаговыми двигателями, сервоприводами, преобразователями частоты, осуществлять регулирование (PID-регулятор).

Высокие эксплуатационные характеристики делают целесообразным применение ПЛК везде, где требуется логическая обработка сигналов от датчиков. Применение ПЛК обеспечивает высокую надежность работы оборудования; простое обслуживание устройств управления; ускоренные монтаж и наладка оборудования; быстрое обновление алгоритмов управления (в том числе и на работающем оборудовании).

Кроме прямых выгод от применения ПЛК, обусловленных низкой ценой и высокой надежностью, есть и косвенные: появляется возможность реализовать дополнительные функции, не усложняя и не увеличивая стоимости готовой продукции, которые помогут полнее реализовать возможности оборудования.

Быстрое развитие микроэлектроники позволяет ожидать дальнейшего снижения цен и улучшения характеристик ПЛК, что является дополнительным стимулом к их применению. Большой ассортимент ПЛК дает возможность находить оптимальное решение, как для несложных задач, так и для комплексной автоматизации производства.

Оборудование машиностроительных предприятий

Для ПР номенклатура основных показателей стандартизована. В государственном стандарте (ГОСТ 4.480–87) показатели де­лятся на две группы: качественные (общие сведения) и количе­ственные (технические характеристики). В число общих сведе­ний входят: выполняемая функция (например, обслуживание то­карных станков, точечная сварка), число степеней подвижности (с указанием, сколько из них переносных и сколько ориентирую­щих), кинематическая схема с обозначением вида степеней под­вижности (поступательных и вращательных), вид привода (пнев­матический, гидравлический, электрический, комбинирован­ный), способ управления, способ программирования, вид рабочего органа (захватное устройство, сварочные клещи, горелка, распылитель и т. п.), способ его замены (вручную или автоматически), исполнение (обычное, пылевлагозащищенное).

Рассмотрим подробнее технические характеристики ПР.

Номинальная грузоподъемность . Для вспомогательных про­мышленных роботов она определяется как «наибольшее значение массы предметов производства или технологической оснастки, включая массу захватного устройства, при которой гарантируется их удержание и обеспечение установленных значений эксплуата­ционных характеристик» (ГОСТ 4.480–87).

В приведенном определении грузоподъемности не уточняется, какие именно эксплуатационные характеристики должны сохра­нять установленные значения. Важны скорости перемещений (при больших массах усилий, создаваемых двигателями, недостаточно для выдерживания требуемых средних скоростей), показатели дол­говечности (при увеличении нагрузок увеличивается износ). Грузоподъемность часто не определяется экс­периментально, а назначается проектировщиками и изготовите­лями весьма приблизительно. Если манипулятор имеет несколько рук, грузоподъемность указывается для каждой из них.

Максимальная абсолютная погрешность позиционирования. Погрешность позиционирования рабочего органа манипулятора определяется как линейное отклонение определенной точки (ус­ловного центра) рабочего органа от положения, задаваемого про­граммой или специальными устройствами (например, упорами, концевыми выключателями). Погрешность позиционирования представляет собой вектор, который характеризуется величиной (модулем) и направлением. Когда говорится просто о погрешнос­ти позиционирования, то учитывается только величина (модуль) вектора, но не учитывается его направление. Погрешности могут быть существенно различными в разных точках рабочей зоны. Когда говорится о максимальной погрешности позиционирования, то имеется в виду, что во всех точках погрешности не могут быть больше этой максимальной погрешности.

Показатели захватного устройства (для вспомогательных промышленных роботов): усилие захватывания, время захватывания, время отпускания, характерные предельные размеры захватывае­мого предмета (например, минимальный и максимальный диаметры цилиндрического предмета). Если робот имеет набор сменных схва­тов, то указываются общие пределы для всех этих схватов.

Показатели устройства управления : число одновременно управляемых движений по степеням подвижности (в ряде случаев допускается только последовательное, друг за другом, движение по степеням подвижности), число каналов связи с внешним обо­рудованием (по этим каналам подаются сигналы в устройство управления и на оборудование), параметры энергопитания (для роботов с пневмоприводом – давление и расход воздуха, для ро­ботов с электроприводом – напряжение и потребляемая мощность).

Показатели надежности : установленная наработка на отказ, установленный срок службы до капитального ремонта и до списа­ния.

Масса и габаритные размеры . Эти показатели обычно ука­зываются раздельно для манипулятора и устройства управления. Габаритные размеры обычно приводятся для сложенного состоя­ния, приспособленного для транспортирования.

Если робот обладает какими-либо существенными особенно­стями, в паспорте или описании эти особенности указываются отдельно. Из большого числа показателей выделяются основные, по которым подбирается робот для работы на определенном рабо­чем месте. Главным параметром считается грузоподъемность. Именно в порядке повышения грузоподъемности промышленные роботы перечисляются в каталогах.

Геометрические характеристики , представляющие собой линей­ные и угловые величины (вылет, ходы и пр.), также важны для правильного выбора робота. Установлены параметрические ряды для максимальных линейных и угловых перемещений. Числа это­го ряда (в мм) следующие: 12; 20; 32; 50; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 320; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 1800; 2000. Числа ряда для углов (в град.) следующие: 15; 30; 45; 60; 90; 120; 180 и т. д. Параметрический ряд установлен также для максимальной абсо­лютной погрешности позиционирования (в мм): 0,05; 0,1; 0,16; 0,25; 0,5; 1,0; 1,6; 2,5; 5,0; 10; 20. Реальные значения перемещений мо­гут отличаться от чисел, заданных параметрическим рядом, ок­ругление при этом производится в меньшую сторону (это будет означать, что действительное перемещение не меньше указанно­го). Наоборот, реальные значения погрешностей округляются в большую сторону (действительные максимальные значения по­грешностей не больше указываемых).

Геометрические характеристики рабочей зоны. Рабочая зона представляет собой пространство, в котором может находиться рабочий орган при работе ПР. Помимо рабочей зоны вводятся и другие близкие геометрические понятия:

– зона обслуживания (пространство, в котором рабочий орган выполняет свои функции в соответствии с назначением ПР);

– рабочее пространство (пространство, в котором могут находиться подвижные звенья манипулятора ПР).

В рабочем пространстве могут находиться любые части ПР, а не только рабочий орган. Рабочая зона и пространство представляются в виде объёмных тел – параллелепипеда, цилиндра, шара и пр. или их частей. Простейшими геометрическими характеристиками рабочей зоны являются её габариты.

Показатели быстродействия (время перемещений, захватыва­ния и отпускания) зависят преимущественно от вида привода (дви­гателей), а при одном и том же виде привода изменяются не в очень широких пределах. Так, для наиболее быстрого – пнев­матического – привода значения времени перемещения могут быть существенно меньше.

Показатели устройств управления в паспорте промышленного робота обычно приводятся в краткой форме, а более полно даются в отдельном описании устройства управле­ния. Тип и возможности устройства управления очень важны при использовании промышленных ро­ботов в гибких производственных системах, когда необходимо встраивать устройство управления в общую систему управления линией или участком. Также отдельно устанавливаются показате­ли рабочих органов технологических роботов (например, расход краски для распылителей окрасочных роботов, максимальная сила тока электросварочного устройства и т. п.).

Необходимо отметить, что выбор робота по номенклатуре ос­новных показателей часто не дает правильного ответа на вопрос о возможности его применения в конкретных условиях. Робот, подходящий по грузоподъемности, кинематической схеме, виду рабочего органа, возможностям устройства управления, вылету и перемещениям по степеням подвижности (остальные показатели обычно не являются решающими), может оказаться хорошим или плохим, удобным в эксплуатации или неудобным. При этом мо­гут быть решающими такие факторы, которые не находят прямого отражения в номенклатуре показателей, в частности, обоснован­ность конструктивных решений отдельных узлов, надежность креп­ления наиболее ответственных деталей, доступность основных уз­лов для осмотра, возможность быстрой смены блоков в случае их отказа и пр. Поэтому специалисты, осуществляющие внедрение ПР, должны, помимо формальных паспортных данных о роботах, знать основные особенности конструкций манипуляторов, особен­ности обслуживания и ремонта.

3.5. УПРАВЛЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫМИ РОБОТАМИ

Как уже указывалось, по принципу управления ПР разделяются на программные, адаптивные и интеллектные. Наибольшее распространение

получили программные, которые характеризуются тем, что они функционируют по жестко заданной программе. При необходимости программа их действий легко перестраивается оператором. Рассмотрим подробнее виды программного управления, которых существуют три: цикловое, позиционное и контурное.

Цикловое управление является в реализации наиболее простым. При цикловом управлении программируются последовательность выполнения движений и условия начала и окончания движений. Положения, до которых идет движение, задаются на самом мани­пуляторе (например, упорами), а не в программе; скорость пере­мещения определяется характеристиками привода и также не зада­ется в программе. Однако в дополнение к последовательности дви­жений программа может задавать требуемые выдержки времени (на выполнение команды или на промежутки времени между коман­дами или движениями).

При позиционном управлении команды подаются так, что переме-
щение рабочего органа происходит от точки к точке, причем положения точек задаются программой. Скорость перемещения между точками не контролируется и не регулируется. В отличие от циклового управления, число точек может быть большим.

При контурном управлении движение рабочего органа проис­ходит по заданной траектории с задаваемой скоростью. В про­грамме задаются сами траектории (или часто расставленными точ­ками, или более редкими точками с соединяющими их прямыми, или дугами окружностей) и режимы движения. Контурное управ­ление используется исключительно в технологических роботах (сва­рочных, окрасочных и пр.). Контурное управление идет от стан­ков: при движении резца токарного станка по контуру (вследствие согласованной подачи по двум и более осям) получается поверхность де­тали заданной формы в виде тела вращения. Заметим, что на хо­лостых ходах (при выходе в исходную точку, с которой начинается рабочее движение, при возвращении назад в исходную точку пос­ле выполнения рабочего движения) система управления работает как позиционная.

Устройство управления и другие блоки системы управления при цикловом, позиционном и контурном управлениях могут быть ре­ализованы на одинаковых или разных принципах и элементных базах. Так, микроэлектронные устройства, в частности микроЭВМ, могут быть основой устройства управления любого вида. С другой стороны, привод в системе контурного управления мо­жет быть шаговым и следящим. На принципах хорошо разрабо­танного числового программного управления (ЧПУ) могут рабо­тать системы и позиционного, и контурного управления.

В особый вид выделяется адаптивное управление, при кото­ром осуществляется автоматическое изменение управляющих про­грамм в зависимости от измеряемых или контролируемых условий работы, или, как говорят, в функции от контролируемых пара­метров состояния внешней среды. В частности, адаптация, или приспособляемость, системы управления может заключаться в том, что устройства системы управления с помощью специальных дат­чиков определяют конфигурацию объекта и его положение; воз­можны также отклонения размеров от номинальных. В зависимо­сти от результатов измерения захватное устройство смещается или поворачивается (чтобы удобнее было захватывать объект), после захватывания объект переносится на место, предназначенное именно ему (это необходимо при сортировке или разбраковке). Таким образом адаптивное управление обычно связывается с очувствлением.

Программирование. При программировании ПР обычно используются два метода: аналитический (расчётным путём) и метод обучения.

При аналитическом методе управляющую программу предварительно рассчитывают, отлаживают и заносят в память устройства управления. Достоинством этого метода является сокращение времени простоя ПР, связанного с его программированием, а также возможность заложить сразу несколько программ для различных технологических операций.

Программирование путём обучения производится оператором либо с помощью дистанционного управления от какого-нибудь управляющего устройства (кнопочного пульта или «марионетки» – копии манипулятора робота), либо с помощью непосредственного перемещения конца манипулятора рукой человека. Все движения соответствуют ходу требующейся манипуляционной операции, при этом в память устройства управления

записывается программа с необходимыми текущими координатами и технологической информацией.

В устройствах циклового программного управления применяются другие приёмы программирования, которые рассмотрены ниже.

Цикловое программное управление. Как отмечалось выше, при цикловом программном управлении в устройстве управления программа задает только последователь­ность команд, определяющих движения, а крайние положения, до которых происходят перемещения, задаются на самом манипу­ляторе. Типовое устройство управления состоит из двух основных блоков: запоминания программ и поэтапного ввода программ. В блоке запоминания программ в той или иной форме хранится вся последовательность команд цикла и, если нужно, условия выпол­нения команд. Переход с этапа на этап задает блок поэтапного ввода программ. Существуют два основных принципа ввода про­грамм: кинематический и статический. При кинематическом вво­де программ переход от этапа к этапу происходит за счет переме­щения программоносителя, при статическом вводе программоно­ситель неподвижен, а переход от этапа к этапу осуществляется за счет переключений электрических цепей.

Наиболее старыми устройствами циклового программного уп­равления являются устройства с распределительным валом и с кулачками на нем. Распределительный вал с кулачками враща­ется, при этом перемещаются толкатели. Толкатели, в свою очередь, воздействуют на электрические переключатели, или пневмоклапаны, которые сначала включают, а затем выклю­чают двигатели приводов.

Устройства управления с распределительным валом просты и надежны, но замена программы требует перестановки кулачков, что достаточно сложно. Кроме того, устройство управления гро­моздко и имеет ограниченные возможности по числу команд (паре команд на один привод соответствует один кулачок) и по числу этапов в цикле (циклу соответствует один оборот вала). Поэтому для перепрограммируемых систем подобные устройства практически непригодны.

Близкие идеи заложены в конструкции устройств управления в виде программаторов с кулачковыми барабанами (они называ­ются также командоаппаратами). Вместо кулачков на распредели­тельный вал насажен цилиндрический барабан с прямоугольной сеткой радиальных отверстий. В любое отверстие можно вставить штекер со специально профилированной гладкой головкой, кото­рая представляет собой кулачок, выступающий над гладкой по­верхностью барабана. Параллельно оси над барабаном жестко кре­пится линейка с переключателями на таком расстоянии, чтобы приходящиеся против них кулачки (головки штекеров) нажимали на штыри переключателей. Развернутую перфорированную повер­хность барабана можно представить состоящей из дорожек (каждая из них приходится против своего переключателя) и строк (парал­лельных оси барабана). Последовательные строки соответствуют последовательным этапам цикла: в какие отверстия будут вставле­ны штекеры, такие команды будут выполняться на данном этапе. В той же строке штекерами также набираются условия, при кото­рых могут выполняться команды. Повороты вала осуществляются прерывисто, привод шаговый или храповой. Программаторы с кулачковыми барабанами до сих пор широко используются в раз­личном оборудовании. Они надежны, имеют значительно мень­шие массы и габаритные размеры, чем устройства с распредели­тельным валом. Типовые командоаппараты имеют габаритные размеры около 400 мм, общее число команд и условий их выполне­ния – около 40, число этапов цикла – около 50.

Основными достоинствами программаторов с кулачковыми ба­рабанами являются относительная простота перепрограммирова­ния, простота контроля набора. Перепрограммирование осуще­ствляется перестановкой штекеров в соответствии с заданной таб­лицей.

Рассмотрим устройства циклового программного управления со статическим вводом программ. Исторически первыми являются программаторы со штекерной панелью, они применяются и в на­стоящее время. Штекерная панель является программоносителем. На поверхности панели имеется прямоугольная сетка отверстий, строки соответствуют командам, столбцы – номерам этапов. Программирование осуществляется штекерами, которые вставля­ются в отверстия так же, как при использовании программаторов с барабанами: для выбранного столбца (номера этапа) штекер встав­ляется в отверстие в строке, соответствующей требуемой коман­де. Допускается выполнение на каждом этапе нескольких команд (совмещение движений). Роль штекеров сводится к тому, что в гнездах они создают электрическое соединение цепей. Возмож­ности штекерных панелей примерно те же, что и программаторов с барабанами (несколько десятков этапов в цикле). Важным дос­тоинством штекерной панели является максимальная наглядность набора: полностью видна вся программа. Однако штекерные па­нели громоздки; механический контакт, создаваемый штекерами, нередко недостаточно надежен.

Большинство современных устройств циклового программного управления представляют собой программируемые контроллеры. Программа записывается на определенном машинном языке по­добно тому, как это делается при программировании для ЭВМ. Однако для циклового управления языки выбираются очень про­стыми. Обычно программа строится по кадрам, причем каждый кадр соответствует этапу. На обычном языке содержание кадра записывается следующим образом: номер кадра, проверка нали­чия сигналов во входных цепях с заданными номерами (сигналов датчиков), при наличии этих сигналов задается команда на вы­полнение движения с требуемым номером. Программа может быть введена в устройство управления с клавиатуры пульта. В устрой­стве управления программа запоминается в электронной (интег­ральной) памяти. При ручном вводе программы с пульта содер­жание кадра в виде алфавитно-цифровой записи воспроизводится на специальном индикаторном устройстве или дисплее. После того как вся программа введена, для контроля можно выводить на дис­плей любой кадр по набранному номеру. Обнаруженые ошибки легко исправить.

Преимущества программируемых контроллеров хорошо извест­ны. Практически отсутствуют ограничения по числу команд и по числу этапов. Программы можно хранить на различных носителях. Они могут быть сложными и предусматривать выбор между различными решениями, что необходимо при реализации адап­тивных систем. Масса и габаритные размеры малы. Однако не всегда достаточно велика надежность устройств управления.

Способ программирования, при котором непосредственно за­дается последовательность движений, не является единственным. Когда в основу устройства управления кладется универсальная микроЭВМ, ее программирование осуществляется на универсаль­ном языке, не связанном с представлением об управлении движе­нием.

Как отмечалось, точки, в которых должны останавливаться подвижные части, задаются на самом оборудовании. При исполь­зовании пневмопривода позиционирование осуществляется по упорам, которые могут перезакрепляться в разных положениях. Чтобы исключить жесткие удары, вместе с упорами устанавлива­ются демпферы. Для других типов приводов при подходе к задан­ному конечному положению двигатель необходимо отключать при помощи путевых выключателей. Как правило используются обычные электроконтактные микропереключатели. Микропереключатель устанавливается неподвижно, он срабатывает от кулачка, кото­рый может закрепляться на подвижной части в различных положе­ниях. Если на разных этапах цикла требуется останавливать под­вижную часть в различных положениях, устанавливают несколько кулачков при одном переключателе (при этом, однако, точки ос­тановки не могут быть на малом расстоянии) или предусматрива­ют несколько пар «переключатель–кулачок» (они устанавливают­ся по параллельным линиям). Для повышения точности останов­ки в конечном положении целесообразно перед остановкой переходить на уменьшенную – «ползучую» скорость. С этой це­лью усложняется способ остановки при том же кулачке (при сра­батывании микропереключателя происходит переход на «ползучую» скорость, а при его отключении после прохождения кулачка – остановка) или устанавливается кулачок сложного профиля, ко­торый дает два включения перед остановкой. Повышение надеж­ности может быть достигнуто при установке путевых переключате­лей другого типа. В роботах с цикловым управлением широко используются в качестве датчиков герметические магнитоуправляемые контакты (герконы). Герметические контакты в запаянной стеклянной колбе замыкаются при приближении на определенное расстояние магнита или электромагнита, закрепленного на под­вижной части. Точность герконовых датчиков не очень велика, однако они выдерживают без отказов значительно большее число включений и выключений, чем обычные микропереключатели. Используются также индуктивные (трансформаторные) и генера­торные датчики. Их высокая надежность определяется тем, что они являются бесконтактными.

Позиционное и контурное программное управление. Для позиционного и контурного управления общим является то, что для выполнения движений необходимо запоминать боль­шое число точек для каждой степени подвижности. Нет никакой возможности задавать эти точки на манипуляторе, поэтому отли­чительной особенностью устройств управления в этих случаях яв­ляется то, что программируется вся информация о движениях, которые необходимо совершать, а именно: последовательность движений, условия выполнения движений и значения перемеще­ний или углов поворота. Для контурного управления программи­руется также скорость перемещения. Как отмечалось ранее, про­граммирование может быть аналитическим, а может осуществляться методом обучения. Рассмотрим сначала аналитическое програм­мирование.

В настоящее время, подавляющее большинство систем позици­онного и контурного управления представляют собой системы чис­лового программного управления (ЧПУ). Для промышленных ро­ботов характерны системы ЧПУ трех типов: 1) HNC (с ручным заданием программ с пульта управления; они называются также оперативными системами управления); 2) DNC (имеющая память для хранения всей программы); 3) CNC (автономная система, по­строенная на микроЭВМ). Принципы и технические средства ЧПУ были разработаны применительно к станкам; распространение их на промышленные роботы позволяет унифицировать устройства управления для роботизированных технологических комплексов.

Рассмотрим устройство управления, вырабатывающее сигналы на приводы, не затрагивая пока вопросов исполнения программ. Исходной является алфавитно-цифровая запись управляющих про­грамм. Программирование осуществляется по адресному принци­пу, по кадрам. Адрес (как правило, буквенный) указывает, к какому приводу (или к какой степени подвижности) относится команда. После адреса записывается число, которое показывает, на сколько или в какую точку должно произойти перемещение. Большинство систем ЧПУ допускает программирование как в аб­солютных координатах (числа в программе задают координаты точки в базовой системе координат), так и в приращениях (числа пока­зывают перемещения от исходного положения). Числа дают зна­чения координат или перемещений в дискретах, обычно в микро­метрах. Обозначения адресов (букв) указываются в специальных таблицах, но приняты меры, чтобы эти обозначения были при­вычными. Так, буква N означает номер кадра (после нее пишется значение номера – обычно трехзначное число), буквы X, У и Z – команды перемещений по одноименным осям, знаки «+» и «–» сохраняют свой смысл («плюс» и «минус»). На основе этих сведе­ний можно читать отдельные фрагменты программ.

Адресом F задается скорость перемещения (скорость подачи). Предусматриваются специальные режимы интерполяции. Так, если адресом задан режим линейной интерполяции, заданы коор­динаты начальной и конечной точек, то рабочий орган будет дви­гаться между этими точками по прямой с постоянной скоростью, заданной адресом F. При этом приводы по степеням подвижности будут работать согласованно. Системы с ЧПУ допускают также круговую интерполяцию (по окружности). Возможность работы в режимах интерполяции — характерная особенность контурного управления. Система выбора адресов и составления программ стан­дартизована, но для конкретных моделей оборудования имеются свои особенности.

Для упрощения программирования используются различные способы. В частности, для часто повторяющихся комбинаций движений составляются типовые подпрограммы, реализующие так называемые постоянные циклы. При наборе, просмотре и отлад­ке может быть осуществлено оперативное редактирование (исправ­ление) программ, а именно: вставка новых кадров, пропуск час­ти кадров, введение в кадры дополнительных команд, изменение (коррекция) значений перемещений. Все современные системы ЧПУ имеют разветвленные системы контроля, при появлении от­казов система автоматической диагностики выявляет, по каким причинам произошел этот отказ. Массы и габаритные размеры устройств ЧПУ пока еще велики, но они уменьшаются от поколе­ния к поколению. Стоимость систем ЧПУ достаточно высокая, поэтому оборудованы ими чаще всего технологические роботы с контурным управлением.

Существенную специфику программирование имеет в тех слу­чаях, когда оно осуществляется методом обучения. При этом ана­литически программируются только подготовительные операции. Во время обучения (когда оператор перемещает рабочий орган вруч­ную) автоматически вводятся в память устройства управления зна­чения координат через равные интервалы времени (обычно через 0,1 с). Эти значения получаются из сигналов датчиков перемеще­ний или углов поворота приводов манипулятора. Для окрасочных роботов время записи и воспроизведения программы составляет обычно несколько десятков или сотен секунд. Если важна плав­ность движения (как при шовной сварке, резке и окраске), то при воспроизведении осуществляется интерполяция по точкам; в слу­чае необходимости скорость движения по траектории может быть вручную с пульта увеличена или уменьшена в пределах ±20 %. Когда плавности движений не требуется и движение должно осу­ществляться с остановками (как при точечной сварке), интерпо­ляция не производится и система работает как позиционная.

В системах ЧПУ используются два типа приводов: разомкну­тые (обычно шаговые) и замкнутые (следящие). Шаговый электромеханический привод управляется последовательностью импульсов, которые вырабатывает специальный коммутатор. В следящих приводах сигнал задаваемого перемещения или угла поворота срав­нивается с сигналом датчика перемещения или угла поворота на выходном звене, по результату сравнения двигатель поворачива­ется так, чтобы эти два сигнала стали равными друг другу. Таким образом, перемещение выходного звена следует за выходным элек­трическим сигналом. Точность следящего привода в значитель­ной мере зависит от точности датчика. В системах ЧПУ использу­ются как специальные кодовые (цифровые) датчики, выдающие сигнал поворота в двоичном коде, и импульсные, выдающие число импульсов, пропорциональное углу поворота или перемещению, так и аналоговые (потенциометры и вращающиеся трансформато­ры). Погрешности точных датчиков составляют 0,01 % от диапазо­на перемещений или углов поворота.

В течение ряда лет при проектировании устройств управления промышленных роботов наблюдались две противоположные тенденции. С одной стороны, создавались устройства управления для каждого робота, отличные от всех других. С другой стороны, вы­пускались унифицированные устройства управления, предназна­ченные не для одного определенного робота, а для целой группы роботов определенного класса. Доля унифицированных устройств управления из года в год растет, в настоящее время она составляет более половины. Преимущества унифицированных устройств уп­равления в основном те же, что и модульных конструкций, поскольку устройство управления можно рассматривать как самостоятельный модуль промышленного робота.

Что входит в перечень основных составных частей ПР?

Назовите сферы применения ПР. Где применение ПР даёт наибольший эффект?

Из каких элементов составляют структурные схемы манипуляторов?

Что понимается под номинальной грузоподъёмностью ПР?

«Калинкин В.И. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ Содержание Введение 2 1. Классификация систем автоматического управления 4 . »

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

1. Классификация систем автоматического управления 4

2. Аналоговые системы управления 8

3. Цикловые системы управления 14

4. Системы числового программного управления (ЧПУ) 19

5. Классификация систем ЧПУ 33

6. Типовые структуры устройств ЧПУ 38

7. Кодирование управляющей информации 45

8. Преобразование контроль и ввод управляющей информации 52

9. Интерполяторы 58

10. Блок управления скоростью подач 65

11. Информационные каналы ЧПУ 68

12. Системы автоматического управления промышленными роботами 74

13. Лабораторная работа № 1 77 Рекомендуемая литература 87 ВВЕДЕНИЕ Управление станком можно представить как процесс воздействия на него для обеспечения выполнения требуемого технологического процесса обработки детали с заданными точностью, производительностью и себестоимостью обработки.

Оно может осуществляться вручную — человеком или без участия человека — системой автоматического управления (САУ).

При управлении станком вручную рабочий преобразует информацию чертежа детали в определенные движения рук, осуществляя управление циклом работы станка и перемещениями его рабочих органов. При этом рабочий использует свой опыт и знания о методах обработки, последовательности выполнения технологических переходов, применяемых режимах обработки, возможностях и особенностях конструкции станка, режущих инструментов и др.

При управлении станком вручную обеспечиваются большая универсальность и высокая мобильность. Действительно, любое изменение чертежа детали может быть учтено рабочим при управлении станком, очень быстро и без больших затрат производится переход на обработку других деталей. Однако управление станком вручную значительно ограничивает возможность повышения производительности обработки, а во многих случаях также снижает или делает нестабильной точность обрабатываемых деталей.

При применении САУ управление станком производится на основе заранее разработанной программы, воплощенной в программоноситель (кулачках, копире, перфоленте и др.).

Система автоматического управления представляет собой комплекс устройств и средств связи, обеспечивающих точное и согласованное во времени взаимодействие рабочих и вспомогательных исполнительных механизмов станка в соответствии с программой управления, разработанной на основе принятого технологического процесса обработки. Программа управления — это последовательность команд, обеспечивающих заданное функционирование рабочих органов станка. Элемент или комплекс элементов, несущих на себе программу управления, называется программоносителем.

Существует множество различных систем автоматического управления станками отличающихся принципом действия, способом переработки информации и т.д.

Все системы автоматического управления классифицируются:

-по типу программоносителя

-по виду начальной информации

-по наличию обратной связи По типу программоносителя Системы автоматического управления (САУ) делятся на аналоговые, числовые и цикловые.

В аналоговых системах в качестве программоносителя используется физический аналог обрабатываемой детали. В качестве физического аналога (программоносителя) используются кулачки, копиры, шаблоны.

В числовых системах в качестве носителя информации используется числовая кодовая комбинация, описывающая геометрию детали и основные технологические функции для ее выполнения (Y, S, T). В качестве программоносителя используются перфоленты, магнитные ленты, оперативные запоминающие устройства.

В цикловых системах в качестве программоносителя используются штеккерные панели, наборные поля и т.д., которые используются для задания последовательности элементарных циклов из которых строится полный цикл обработки детали, а так же командоаппараты, жесткие упоры, путевые выключатели с помощью которых программируются величины перемещений в элементарных циклах.

По виду начальной информации По этому признаку все системы автоматического управления делятся на две группы.

К первой группе относятся САУ, работающие на основе полной, заранее разработанной программы управления. САУ данной группы выполняют программу без ее изменения и коррекции.

К данной группе относятся системы управления с распределительным валом, копировальные системы управления, цикловые системы управления и некоторые числовые системы управления.

Ко второй группе относятся САУ, работающие на основе неполной начальной информации или информации, которую можно изменять в процессе обработки на основе использования текущей технологической информации об управляемом процессе, получаемой с помощью различных датчиков, с целью оптимизации обработки детали.

К данной группе относятся самоприспосабливающиеся (адаптивные), самонастраивающиеся и самообучающиеся системы.

В самоприспосабливающихся системах управления оптимальное управление осуществляется изменением управляющего воздействия. В самонастраивающихся системах оптимальное управление осуществляется изменением параметров системы станок – приспособление – инструмент — деталь, а в самообучающихся системах – изменением структуры алгоритма управления.

По наличию обратной связи системы автоматического управления делятся на системы разомкнутые и замкнутые.

В разомкнутых системах имеется только один поток информации от управляющей программы к процессу резания, при помощи которого информация заложенная в программоноситель переносится на деталь. В этих системах отсутствует контроль действительного положения И.У. Точность перемещения рабочего органа, а следовательно и точность обработки будут зависеть от точности передаточных механизмов приводов подач (рис. 1.1).

Рис.1.1 Разомкнутая САУ

Разомкнутыми системами управления являются системы с Р.В, механические копировальные системы, системы ЧПУ с маховыми приводами подач.

Замкнутые системы предполагают два и более потоков информации. Один из которых прямой, а остальные дополнительные обратные потоки информации.

Замкнутые системы бывают двух типов:

1) Системы управления с обратной связью по положению исполнительного органа (рис. 1.2).

Рис.1.2. Замкнутая САУ по положению исполнительного органа

К этой группе относятся следящие копировальные системы, системы ЧПУ замкнутого типа.

2) Системы управления с обратной связью по положению и с датчиками измеряющими параметры процесса резания (силу, температуру, вибрации) для дополнения и коррекции прямого потока информации (рис.1.3).

Рис.1.3. Замкнутая САУ по положению исполнительного органа и контролем параметров процесса резания К ним относятся системы числового программного управления с дополнительными блоками, позволяющими оптимизировать процесс обработки

Системы управления с аналоговым программоносителем делятся на две большие группы:

1.Системы управления с распределительным валом

2.Копировальные системы управления.

2.1.Системы управления с распределительным валом (РВ).

Системы управления с РВ можно представить как механические копировальные системы, копиры которых обернуты на цилиндры и установлены на один вал Такие системы позволяют путем построения циклограммы заранее спроектировать и рассчитать рабочий цикл обработки любой сложности. Цикл обработки выполняется за один оборот распределительного вала.

Программа управления рассчитывается на основании данных чертежа и воплощается в программоносителе, которым является кулачок для одного исполнительного органа (И.О.) или система кулачков (рабочих и командных) установленных в соответствии с циклограммой на РВ.

Величины перемещений И.О. задаются подъемом на кулачке hк, а длительность углами на холостых ходах b1, b2 и на рабочем ходеa (рис.2.1).

Эти системы широко применяются в специальных и универсальных автоматах и полуавтоматах.

По принципу совершения холостых ходов системы Рис.2.1. Кулачок управления с РВ делятся на 3 группы(рис. 2.2).

Системы управления 1-ой группы (Рис.2.1,а). Особенностью системы управления этой группы является то, что частота вращения РВ – const для каждой настройки звена Y в течении всего времени цикла обработки детали. В этих системах продолжительность холостых ходов зависит от продолжительности рабочих ходов.

Системы этой группы применяются в основном в фасонно-отрезных автоматах для изготовления простых деталей.

Системы управления второй группы (Рис.2.2,б). Особенностью этих систем является то, что РВ в течении цикла обработки одной детали имеет две частоты вращения. Медленное вращение через звено настройки Y, при выполнении рабочих ходов и быстрое вращение при выполнении холостых ходов, которое передается по связи С.

В этих системах изменение времени рабочих ходов не влияет на продолжительность холостых ходов.

Эти системы применяются для обработки сложных деталей. Системами этой группы оснащаются как правило многошпиндельные автоматы и одношпиндельные автоматы продольного точения 1А10П, 1П12 и др.

Системы управления третьей группы (Рис.2.2,в).Системы этой группы представляют собой сочетание 1-ой и 2-ой групп. Распределительный вал здесь вращается с постоянной частотой при выполнении всех рабочих и части холостых ходов (подвод и отвод поперечных суппортов).

Остальные х.х. (подача и зажим прутка, поворот Р.Г, переключение частот вращения шпинделя) выполняются с помощью вспомогательного вала ВВ, частота вращения которого значительно выше частоты вращения Р.В.

Системами этой группы оснащены токарно-револьверные автоматы модели 1Б118, 1Б136 и др.

Если теоретическая производительность автомата более 10 шт/мин, то берут автомат оснащенной системой 1-ой группы, если меньше 1 то системой 2-ой группы, если от 1 до 10 шт / мин то системой 3-ей группы.

Система управления с РВ является очень надежными САУ.

2.2.Копировальные системы управления Копировальные системы управления могут быть, как замкнутые так и незамкнутые. Программоносителем является шаблон или копир. Данные системы делятся на две группы: 1) механические копировальные системы с прямым копированием; 2) и следящие копировальные системы с усилителями.

В системах с прямым копированием (Рис2.3), функции управления и тягового устройства для одной координаты совмещены. В данных системах на щупе возникают значительные удельные давления в зоне контакта щупа и шаблона, а, следовательно, деформации и износ. Салазкам 2 сообщается продольная подача. Копир 5 через щуп 4 управляет перемещением суппорта 3, сообщая ему поперечную подаРис.2.3. Механическая копировальная система чу. Роль ведущей подачи выполняет SПР, а роль следящей –SПОП. Хотя данные системы конструктивно просты и надежны, при их работе возникают большие потери, а так же имеет место повышенный износ копира из-за действия на него силы резания, что влияет н на точность обработки. Данные системы применяются весьма редко особенно в последнее время.

Следящие копировальные системы управления. В отличии от механических копировальных систем, где копир выполняет две функции – управления перемещением исполнительного органа и его подачи, в следящих копировальных системах копир выполняет только функцию управления. Для сообщения подачи применяют различного типа усилители (гидравлические, электрические), которые снижают нагрузку на копир. Наличие усилителей в этих системах требует жесткой обратной связи между инструментом и обрабатываемой заготовкой.

Данные системы делятся на две группы в зависимости от вида управляющего сигнала на дискретные и непрерывные. Типичным представителем дискретной следящей копировальной системы является электромеханическая система с трех или пятипозиционной головкой На рисунке 2.4,а представлен копировально-фрезерный станок, оснащенный электромеханической копировальной системой. В основе работы этой системы является принцип рассогласования положения щупа следящего устройства и инструмента.

На горизонтальном столе устанавливается обрабатываемая деталь и копир 4.

К шпиндельной бабке станка жестко крепится электроконтактная головка, которая через усилитель 7 управляет электромагнитными муфтами в приводе подач станка. В копир 4 упирается щуп 5 и через систему рычагов управляет положением среднего контакта (рис.2.4,б). В начальный момент обработки щуп настраивается так, что контакт находится в среднем положении. Движение от электродвигателя 2 через включенную электромагнитную муфту 3 передается на винт продольной подачи, который осуществляет ведущую подачу SВ. При этом щуп скользит по копиру и замыкает верхний или нижний контакт. Электромагнитная муфта 3 отключается и включается одна из электромагнитных муфт реверсивного механизма 1 вертикального перемещения стола, т.е. включается следящая подача SС.

Жесткая обратная связь в данной системе выполнена в виде кронштейна, которым крепится корпус электромеханической головки к шпиндельной бабке станка.

Типичным представителем следящей копировальной системы с непрерывным управляющим сигналом служит гидравлическая следящая копировальная система. Схема системы, управляющей фрезерным гидрокопировальным станком представлена на рисунке 2.5.

Рис.2.5. Схема гидравлической следящей копировальной системы Большим недостатком этих систем управления является независимость ведущей SВ или задающей SЗАД и следящей подач SСЛ, что приводит к различной подаче SК вдоль контура и значит к неодинаковому качеству обработки поверхности. Скоростная диаграмма таких систем управления представлена на рисунке 2.6.

Для обеспечения постоянства контурной скорости подачи необходимо иметь связь между ведущей и следящей подачами. Системы с такой связью имеют скоростную диаграмму представленную на рисунке 2.7.

Для этого применяют системы со специальными схемами слежения. Однако такие системы достаточно сложны в настройке и требуют тщательных расчетов в особенности динамических характеристик. Пример такой системы управления приведен на рис. 2.8. Ведущая подача SВ обеспечивается гидроцилиндром 1, скорость движения поршня которого автоматически управляется гидро распределителем 2 в функции изменения следящей подачи SС. При увеличении скорости следящей подачи возрастает давление на выходе масла из гидроцилиндра 3, а значит, в верхней части регулятора 2, золотник которого, перемещаясь, увеличивает дросселирование масла, выходящего из гидроцилиндра 1, тем самым уменьшая скорость задающей подачи SВ. Настройкой дросселей 4 и 5 добиваются возможно большего постоянства результирующей подачи SК вдоль обрабатываемого контура.

3.Системы циклового управления станками.

Цикловое программное управление применяют для автоматизации процессов прямоугольного формообразования. Данные системы являются дальнейшим развитием систем управления с распределительным валом.

В системах ЦПУ одна часть программы управления – информация о цикле и режимах обработки – задается на пульте управления штеккерами, переключателями или вводится на перфокартах и др. Другая часть – размерная информация, характеризующая величины перемещений рабочих органов станка, устанавливается с помощью кулачков, установленных на исполнительных узлах станка и воздействующих на путевые выключатели (датчики).

Цикл обработки на станках с такой системой управления состоит из набора элементарных циклов, каждый из которых осуществляет управление исполнительными органами станка в заранее определенной последовательности. Например элементарный цикл резьбонарезания плашкой или метчиком системы ЦПУ токарно-револьверного станка осуществляет следующие действия: задание вращения шпинделя; ускоренный подвод револьверного суппорта к детали; нарезание резьбы; реверс шпинделя; свинчивание резьбонарезного инструмента; ускоренный отвод револьверного суппорта.

Структурная схема устройства ЦПУ представлена на рис.3.1.

Каждый электрик должен знать:  Что необходимо учитывать при выборе генератора

Рис.3.1. Структурная схема устройства циклового программного управления

Как говорилось выше, управляющая программа состоит из двух частей, одна из них, которая содержит информацию о наборе элементарных циклов и их последовательности заносится на программоноситель, а вторая часть – размерные перемещения задается соответствующей настройкой кулачков на исполнительных узлах. В качестве программоносителя используются штеккерные панели, командоаппараты и др. Блок памяти циклов содержит информацию о всех элементарных циклах используемых данной системой управления в виде электрических цепей, которые по команде от счетно-импульсного устройства подключаются к силовой электроавтоматике станка, которая управляет приводами и перемещением исполнительных узлов станка. Кулачки, установленные на исполнительных узлах, воздействуют на путевые датчики, которые управляют элементами электрических цепей соответствующего элементарного цикла. Команду счетно-импульсному устройству на считывание очередной порции информации подает путевой выключать возврата исполнительного узла станка в исходное положение после отработки очередного элементарного цикла.

В свое время широкое распространение получили системы ЦПУ со штеккерными панелями. Штекерная панель (рис.3.2) представляет собой прямоугольную решетку из изолированных горизонтальных и вертикальных металлических полос (шин). В местах пересечения полосы имеют соосные отверстия (гнезда).

Рис.3.2. Схема штеккерной панели

В эти отверстия вставляют штекеры (металлические штифты с изолированным наконечником), соединяющие шины друг с другом. Присоединяя к горизонтальным шинам те или иные электрические цепи элементарных циклов, можно посредством штекеров осуществить многочисленные комбинации их соединения.

Количество горизонтальных шин определяется количеством элементарных циклов и технологических команд. Количество вертикальных шин определяется конструктивными особенностями станка.

Панель снаружи закрыта листом тонкого изолирующего материала с отверстиями для штекеров. Счетно-импульсное устройство последовательно замыкая контакты К включает те реле Р рабочих элементарных циклов и реле РТ тех технологических команд, в гнезда которых вставлены штеккеры. Эти реле осуществляют подключение электрических цепей соответствующих элементарных циклов и технологических команд.

Разновидностью систем ЦПУ являются программируемые контроллеры (ПК).

Устройства программируемого бесконтактного логического управления получили название программируемых контроллеров (ПК) или программируемых командоаппаратов. Программируемые контроллеры в качестве элементной базы используют микроэлектронные интегральные схемы. Это позволяет создать малогабаритные универсальные системы управления с широкой областью применения взамен специализированных систем, что приводит к сокращению времени проектирования, изготовления и наладки электрооборудования станков. При этом сохраняется простота внесения изменений при отладке станка, возможность изменения программы, возможность простой замены неисправного шкафа управления исправным. К тому же в таких системах достигается более высокая надежность работы.

ПК – это устройство, осуществляющее управление электроавтоматикой с помощью определенных алгоритмов, реализованных программой, хранящейся в памяти устройства. По своим функциям программируемые контроллеры сходны с обычными управляющими процессорными устройствами, однако имеют и некоторые особенности: они преимущественно осуществляют логические операции, счет импульсов и выдержки времени; допускают облегченное программирование по принципиальной электрической схеме и логическим описаниям. При этом не требуется специальной подготовки персонала, как это необходимо при обучении программистов ЭВМ. Программу вводят нажатием клавишей с обозначениями логических элементов. При этом в блоке логического управления формируются соответствующие логические функции. На клавиши часто наносят условные графические обозначения контактов релейно-контактной схемы. В этом случае при программировании составляют сначала принципиальную релейно-контактную схему цепей управления. Затем нажимают клавиши с обозначениями контактов, входящих в одну из цепей принципиальной схемы. При этом в блоке управления образуется логический бесконтактный эквивалент данного элемента. Затем переходят к следующей цепи принципиальной схемы.

Структурная схема программируемого контроллера представлена на рис.3.3 Модуль ввода формирует сигналы, поступающие от различных переферийных устройств. Модуль вывода подает сигнал на исполнительные устройства электроавтоматики станка. Процессор решает логические задачи управления модулем вывода на основе информации, поступающей на модуль ввода и алгоритмов управления, введенных в память.

Рис.3.3. Структурная схема программируемого контроллера Рис.2. Штекерная панель

4. Системы числового программного управления станками Числовое программное управление является разновидностью автоматического управления и предусматривает запись программы в условном цифровом коде на перфолентах, магнитных лентах. Программа в этом случае может быть записана также непосредственно в памяти управляющей ЭВМ.

Этапы изготовления детали на станке с ЧПУ 1 – изучение чертежа 2 — преобразование информации чертежа в текстовую или табличную формы с помощью символов, составление программы 3 – запись программы на программоноситель или ввод ее в память управляющей ЭВМ 4 – реализация программы на станке.

Таким образом, обеспечивается работа станка без создания аналоговой модели программы.

4.1.Функции числового программного управления.

Все функции, выполняемые СЧПУ можно разделить на четыре класса:

1.Управление формообразованием (геометрическая задача).

2.Управление дискретной автоматикой станка (логическая задача).

3.Управление рабочим процессом станка (технологическая задача)

4.Взаимодействие с окружающей производственной средой (терминальная задача), которая проявляется через диалог с оператором или с управляющим устройством более высокого ранга.

Геометрическая задача управления.Геометрическая задача исторически возникла первой и у первых систем ЧПУ была единственной. Геометрическая задача формулируется следующим образом: отобразить геометрическую информацию чертежа в совокупность таких формообразующих движений станка, которые материализуют чертеж в конечном изделии. Перемещение осуществляется по траектории, которую необходимо делить на участки, описываемые однообразными уравнениями прямой или окружности. Точки, помещенные на стыках участков, называются опорными (рис.4.1,а). Опорной так же считается точка пересечения дуги окружности с осью проведенной из центра этой окружности. Перемещение инструмента или заготовки может осуществляться как по контуру заданному чер

тежом (рис.4.1,а), так и по эквидистанте (рис.4.1,б).

Процесс управления заключается в перемещении инструмента или заготовки между опорными точками. Процедура вычисления координат всех промежуточных точек называется интерполяцией. Интерполяция осуществляется над целыми числами, каждая единица которых соответствует наименьшему перемещению или углу поворота рабочего органа станка, контролируемого в процессе управления.

Такое соответствие трактуют 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.

Перемещения задаются в кадрах управляющей программы. Последовательное выполнение всех кадров приводит к последовательному обходу вдоль всего контура. Во избежании приостановки при переходе от одного кадра к другому, каждый последующий кадр должен быть заранее подготовлен к оперативным расчетам и отработке, такой кадр называется буферным. Запись кадров управляющей программы осуществляется на языке ISO 7bit.

Логическая задача управления. Выполнением основных операций по перемещению далеко не исчерпывается задача управления. На современных станках процесс сопровождается выполнением множества вспомогательных операций, к которым относятся: смена инструмента, переключение в приводах главного движения и подач, управление зажимными устройствами, охлаждением и т.д. Все эти функции выполняются цикловой электроавтоматикой станка, под которой понимают систему автоматического управления механизмами, поведение которых определяется множеством дискретных операций. Причем часть операций выполняется безусловно (охлаждение), а часть в зависимости от осведомительных сигналов, поступающих со станка (скорость главного движения, поворот инструментальной головки т.д.) Для решения логической задачи числового программного управления создают системы цикловой электроавтоматики. Эта задача состоит из ряда подзадач, которые описывают циклический процесс дискретных механизмов станка (включение шпинделя, смена позиции инструментальной головки, управление тактовым столом и т. д.). Все сложные циклические процессы представляют в виде циклов автоматики. Циклом автоматики называют последовательность действий дискретного механизма, выполняемых после команд: например, «Скорость главного движения В качестве примера рассмотрим алгоритм цикла смены позиции инструментального магазина. На рисунке 4.2 показана схема инструментального магазина, который представляет собой диск, имеющий 24 гнезда для установки в них оправок с инструментами. Позиция, в которой происходит смена инструмента, помечена стрелкой. Магазин имеет N=24 позиции, он оснащен реверсивным двигателем, и поиск инструмента в этом случае целесообразно вести по кратчайшему пути. КратРис.4.2. Схема инструментального магазина 21 чайший путь будет определяться направлением вращения магазина по часовой стрелке или против, и зависит от соотношения номеров исходной позиции NИ и заданной позиции NЗ. Очевидно, что вращение по часовой стрелке будет оптимальным при условии по парного выполнения или не выполнения неравенств NЗ NИ и (NЗ – NИ) N/2 Если же одно из этих неравенств будет выполняться, а второе не выполняться, то оптимальным будет вращение против часовой стрелки. Выражение в скобках берется по модулю. В таблице 4.1 Приведен пример анализа направления вращения инструментальной головки.

Рассмотрим алгоритм смены позиции инструментального магазина (рис. 4.3).

По команде с адресом Т инициируется автоматический цикл, который начинается со сравнения кодов номеров заданной и исходной позиций датчиком Д1, если коды совпадают, то подаются команды на останов вращения, зажим диска, проверка зажима и подтверждение выполнения команды (стоп). Если коды номеров не сов


задания укрупненных команд типа технологических циклов и др. Пример организации панели оператора показан на рис. 4.4.

Рис.4.4. Панель оператора

Экран дисплея предоставляет информацию следующего вида: состояние системы управления (указание режима и подрежимных ветвлений, сообщение об ошибках и сбоях); состояние управляемого объекта, т. е. станка (положения рабочих органов в различных системах координат, подача, частота вращения шпинделя, имена выполняемых циклов автоматики, сведения о выполняемой управляющей программе); 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 терминальной задачи, которая в данный момент интересует оператора.

Объем предоставляемой оператору информации, т. е. объем дисплейных функций, во многом определяет функциональные возможности устройства ЧПУ.

В связи с анализом дисплейных функций целесообразно ввести три понятия:

формат, глава, страница. Под форматом понимают способ деления поверхности экрана на функциональные зоны. Главу определяют как способ заполнения функциональных зон определенной информацией. Страницей называют фрагмент главы, визуализируемый на экране в данный момент времени. Таким образом, глава состоит из одной или нескольких страниц, а разнородные главы могут быть организованы в разных или одинаковых форматах.

Технологическая задача ЧПУ состоит в достижении требуемого качества деталей с наименьшими затратами. В этом плане технологическая задача состоит из двух частей: управление точностью и эффективностью обработки.

Рассмотрим механизм формирования заданной точности обработки в связи с особенностями начальной установки, статической и динамической настроек детали.

При размещении обрабатываемой детали в рабочем пространстве станка (т. е.

при включении детали в кинематические и размерные цепи станочной системы) необходимо обеспечить начальную установку, т. е. управление точностью начального положения относительно баз станка или приспособления. Заготовку закрепляют на столе станка или в приспособлении.

Погрешность установки детали, как правило, не может быть определена расчетным пуРис.4.5. Измерительные циклы для обследования детали тем, поэтому после установки обследуют поверхности детали с помощью измерительных головок в рамках специальных автоматических измерительных циклов (рис. 4.5). По результатам измерений погрешности установки детали вводятся в память устройства ЧПУ, и таким образом координатные системы станка и детали оказываются согласованными, а управляющая программа ЧПУ в системе координат детали — пригодной для своего воспроизведения в координатной системе станка.

Статическая настройка детали есть процесс управления первоначальным установлением точности относительного движения и положения (без резания) инструмента, оборудования и приспособления.

Установленная первоначально точность относительного движения и положения снижается при обработке вследствие различного рода погрешностей, носящих систематический или случайный характер. Примером систематической погрешности может послужить переменная в координатах рабочего пространства станка погрешность шариковой пары винт — гайка. Примером случайной погрешности может послужить размерное изнашивание многократно используемого в различных операциях инструмента.

Размерная поднастройка (как компонент статической настройки) — это управление восстановлением (при обработке) точности относительного движения и положения инструмента, оборудования и приспособления для продолжения рабочего процесса с заданным качеством. Размерную поднастройку с целью компенсации систематических погрешностей осуществляют путем периодического обращения к таблицам коррекций соответствующих погрешностей, хранимым в памяти устройства ЧПУ (например, к таблицам систематических погрешностей шариковых пар винт — гайка).

Для осуществления статической настройки на станке с ЧПУ используют в принципе три метода:

1.метод, связанный с установлением координат инструмента в системе координат детали (метод пробных проходов);

2.метод, связанный с установлением координат инструмента в системе координат станка (абсолютный метод);

3.метод, связанный с установлением координат инструмента в промежуточной системе координат, положение которой относительно координатной системы станка известно (относительный метод).

Два последних метода реализуют обычно с помощью измерительных головок.

Динамическая настройка представляет собой этап управления точностью обработки непосредственно в условиях резания когда искажению точности способствуют деформационные, тепловые и динамические процессы. В основе указанных процессов лежат различные физические эффекты (упругие и контактные деформации, температурные деформации, трение, изнашивание, вынужденные колебания, автоколебания), однако влияние любых факторов на точность обработки проявляется, в конечном счете, через размерные связи станочной системы. Под действием этих факторов происходят изменения размеров и относительных поворотов поверхностей. В результате возникают отклонения от заданной при статической настройке точности относительного положения и движения инструмента, баз станка и обрабатываемой заготовки. Эти отклонения носят переменный характер и изменяются случайно или по определенному закону в функции времени, в функции координат.

Для обеспечения динамической настройки станок должен быть оснащен датчиками, позволяющими осуществлять оперативный контроль процессов, и соответствующим программно математическим обеспечением, позволяющим оперативно вносить коррективы в измерительные системы.

Из сказанного вытекает способ решения той части технологи-. ческой задачи, которая относится к управлению качеством. Управляющая программа должна иметь в своем составе кадры с описаниями измерительных циклов. Измерительные циклы формируют массивы коррекций разнообразного назначения, что и обеспечивает, в конечном счете, статическую настройку. В процессе резания измеряют параметры динамической настройки с помощью датчиков силовых параметров резания (силы резания, вращающего момента на шпинделе); датчиков температуры, вибраций, виброакустического спектра; датчиков деформаций и смещений и др. Подобная информация позволяет при соответствующей ее обработке управлять динамической настройкой.

Вторая часть технологической задачи – это управление эффективностью обработки.

Обычно под экономическим режимом резания понимают такой период стойкости и соответствующие ему параметры режима резания, при которых стоимость операции будет наименьшей. Запись критериев оптимальности основана на известных зависимостях между скоростью резания, подачей, глубиной и периодом стойкости.

Для чистовых операций период стойкости может быть менее важным, чем точность достигаемого размера и чистоты поверхности; однако для черновых операций необходимо снимать наибольшее количество материала в единицу времени. Таким образом, проблема управления с целью установления экономических режимов резания актуальна именно в отношении черновых режимов. Математическая формулировка этой проблемы может выглядеть различным образом, например, так: оптимизация процесса резания путем максимизирования отношения объема снимаемого металла к износу инструмента; оптимизация процесса резания путем минимизирования отношения затрат к объему снимаемого металла за период стойкости инструмента, а также и др.

Проблему оптимизации чаще всего сводят к определению оптимальных режимов резания (скорости резания, подачи).

Системы управления станками, обеспечивающие поиск и поддержание технологических параметров рабочего процесса, удовлетворяющих критерию оптимизации и действующим ограничениям, получили наименование адаптивных.

Для решения данной части технологической задачи устройство ЧПУ должно содержать адаптивный блок, имеющий структурную схему показанную на рис.

4.6. Блок (модуль) адаптивного управления может быть частью устройства ЧПУ, а может быть и автономным устройством. Устройство ЧПУ управляет технологическим процессом лишь косвенно: через приводы подачи, главного движения, автоматики. Таким образом, только адаптивное управление способно снизить отрицательное влияние действующих на технологический процесс возмущений, а также отрицательные последствия несовершенной управляющей программы ЧПУ.

Рис.4.6. Обобщенная структурная схема адаптивного управления

Измеряемые параметры зависят от искомых технологических; обычно измеряют силу резания, мощность, износ инструмента и т. д. К параметрам настройки относятся коэффициенты уравнений, определяющих математическую модель. Ограничения составляют систему неравенств, каждое из которых устанавливает пределы варьирования измеряемых и искомых параметров. Математическая модель связывает критерий оптимальности с искомыми технологическими и измеряемыми параметрами. Блок оптимизации действуя в соответствии с постоянным или выбираемым алгоритмом находит такие значении искомых технологических параметров, которые обеспечивают критерию оптимальности максимум или минимум. При этом учитываются необходимые ограничения.

Рассмотрим стратегию адаптивного управления на примере фрезерной обработки. В качестве искомых технологических параметров примем подачу S и частоту вращения n шпинделя. Это значит, что оптимальный режим будем искать на плоскости (S, n), называемой производственной характеристикой станка.

Определим оптимальный режим как такую точку на плоскости производственной характеристики, которая соответствует минимуму приведенных затрат, т.е. некоторую функцию Qmin = (B,h,n,S). Где В и h— соответственно ширина и глубина фрезерования, причем эти параметры являются по своему смыслу возмущениями; n и S— регулируемые параметры, оптимальное соотношение которых и требуется отыскать.

В процессе оптимизации режима фрезерования приходится учитывать ограничения:

nmin – минимальная частота вращения фрезы может определять условиями стружкообразования или нижней границей диапазона регулирования привода главного движения;

nmax – максимальная частота вращения фрезы может определять периодом стойкости инструмента или верхней границей диапазона регулирования;

Szmin – минимальная подача на зуб определяется опасностью возникновения высокочастотных колебаний инструмента, которые приводят к интенсивному износу его;

Szmax – максимальная подача на зуб определяется требованиями к шероховатости или прочностью инструмента;

Smin и Smax – минимальная и максимальная минутные подачи ограничиваются возможностями привода подач;

Mkp max – максимальный крутящий момент определяется прочностью инструмента или элементов привода станка;

Nmax – максимальная мощность определяется кинематическими возможностями привода.

Все ограничения по S и n, наложенные на производственную характеристику станка образуют технологическую зону (рис.4.7,а), а ограничения по M и N делят эту зону на четыре области. Из них только одна третья зона является областью допустимых значений точек соответствующих сочетанию S и n (рис. 4.7,б).

Эту третью область рассматривают вместе с функцией Qmin, которая представляется семейством кривых (рис.4.8), рассчитанных для некоторых значений B и h.

Стратегия оптимизации заключается в следующем. Прежде всего устанавливается положение рабочей точки относительно области конструктивных и технологических ограничений. Если точка находится вне технологической области, подаются команды на введение ее внутрь области. Если точка заходится в пределах технологической области, то с помощью датчиков мощности и вращающего момента регистрируется положение рабочей точки относительно четырех областей 1—4 (см. рис. 4.7,б). Далее подаются команды на достижение оптимальной точки.

Процедура повторяется с некоторой частотой сканирования.

5.Классификация систем числового программного управления В зависимости от назначения оборудования с ЧПУ (по технологическим признакам) системы управления делятся на позиционные и контурные. На рисунке

тановки ДОС. Габаритные размеры применяемого датчика не зависят от Рис.5.3. Замкнутые системы величины измеряемого перемещения. При применении круговых ДОС, устанавливаемых на ходовом винте, высокие требования предъявляются к точностным характеристикам передачи винт — гайка (точность изготовления, жесткость, отсутствие зазоров), которая в этом случае не охватывается обратной связью. Применение в приводах подач станков с ЧПУ точно изготовленных шариковых винтовых пар и создание в них предварительного натяга для устранения зазоров и увеличения жесткости позволяют широко применять замкнутые системы ЧПУ этого типа.

В замкнутых системах ЧПУ второго типа (рис.5.3,б) также используют круговой ДОС, но измеряющий перемещение рабочего органа станка через реечную передачу. Хотя в данном случае система обратной связи охватывает все передаточные механизмы привода подачи, включая и передачу винт — гайка, в измерения вносится погрешность реечной передачи. Поэтому необходимо применять прецизионную реечную передачу с рейкой, длина которой зависит от величины хода рабочего органа станка. Это усложняет и удорожает систему обратной связи.

Замкнутые системы ЧПУ третьего типа (рис.5.3,в) оснащены линейными ДОС, обеспечивающими непосредственное измерение перемещения рабочего органа станка. Это позволяет охватить обратной связью все передаточные механизмы привода подачи, что обеспечивает высокую точность перемещений. Однако линейные ДОС сложнее и дороже, чем круговые; их габаритные размеры зависят от длины хода рабочего органа станка.

В зависимости от типа датчика обратной связи существуют следующие основные разновидности замкнутых систем.

Аналоговые системы. В аналоговых системах информация поступает в сравнивающее устройство от задающей программы и от DOС в аналоговой форме.

Используется аналог – напряжение, фаза, пропорциональный заданному числу.

Здесь используются DOC индуктивные и потенциометрические.

Кодовые системы. Эти системы основаны на использовании специальных кодовых датчиков. Показания о фактическом перемещении в числовом коде снимают с DOC и сравнивают с программой импульсные системы.

Импульсные системы. Импульсные системы используют принцип сравнения числа импульсов, выработанных DOC, с числом импульсов, поступающих с исходной программы.

За время применения систем ЧПУ, они в своем развитии уже прошли несколько этапов, определяемых уровнем развития электронной техники. При этом разработчики систем ЧПУ использовали различные элементные базы: релейноконтакторную, транзисторную, микросхемы малой и средней степени интеграции, мини-ЭВМ и, наконец, микропроцессорные наборы и большие интегральные схемы памяти.

Широко применяемые в настоящее время в промышленности системы ЧПУ класса NС (Numerikal Control) построены по принципу цифровой модели, где все операции, составляющие алгоритм работы, выполняются параллельно с помощью отдельных цепей или устройств (блоков), реализующих ту или иную функцию (агрегатно-блочное построение). Данные системы ЧПУ называют системами с жесткой структурой. При усложнении задач управления увеличивается число составляющих блоков, что удорожает систему ЧПУ. Весьма ограничены на этих системах возможности вмешательства оператора в процесс отработки заданной программы управления. Если эти системы оснащены расширенным электронным устройством для запоминания программ (системы класса SNC), то устройство для считывания программы управления с перфоленты применяется только один раз — для ввода программы управления в электронный запоминающий блок. В результате повышается надежность работы станка с ЧПУ из-за сокращения его простоев по причине отказов фотосчитывающего устройства и самой перфоленты.

Разработка систем ЧПУ с использованием мини-ЭВМ, а затем микропроцессоров и, БИС-памяти, получивших название систем класса CNC(Computed Numerikal Control), привела к коренным изменениям в технике программного управления станками. Особенностью систем управления класса CNC является их структура, соответствующая структуре управляющей ЭВМ, включающая вычислительное устройство (процессор), блоки памяти и ввода-вывода информации. При этом объем функций, характер проводимых операций и их последовательность определяются не специальными схемами, как было раньше в системах класса NC, а специальными программами функционирования, которые вводятся в блок памяти устройства и хранятся там постоянно или до замены. Переработка исходной информации, содержащейся в программе управления, ведется в соответствии с программами функционирования. Согласно этим же программам формируются команды на приводы подач станка и его электроавтоматику.

По своим функциональным характеристикам современные микропроцессорные системы управления можно разделить на два типа: с вводом программы управления на перфоленте и с вводом вручную.

Второй тип систем ЧПУ получил название систем класса HNC (Hand Numerikal Control ). Программа управления в этих системах вводится оператором с помощью клавишей на панели управления и хранится в памяти системы. Поэтому при применении данных систем ЧПУ повышается роль и значение квалифицированного оператора, который может сам составлять и вводить программу управления.

Наряду с автономными системами ЧПУ в промышленности применяют системы прямого числового программного управления группой различных станков от единой ЭВМ, получившие название систем класса DNC (Direct Numerikal Control). Основными функциями этих систем являются централизованное хранение в памяти ЭВМ программ управления и их распределение по запросам от станков.

При этом предусматривается также возможность редактирования программы управления. Кроме непосредственного управления группой станков системы класса ОМС, часто управляют также другим вспомогательным оборудованием, обслуживающим участок станков (автоматизированными складами заготовок и инструментов, загрузчиками и др.) и др.

6.Типовые структуры устройств числового программного управ-ления

Из всего многообразия типов систем числового программного управления рассмотрим наиболее часто встречающиеся. Как говорилось выше, по некоторым особенностям функционирования и способов переработки информации все системы ЧПУ делятся на две большие группы типа NC и CNC.

Структурная схема систем ЧПУ класса NC.

В общем виде структуру числового программного управления можно представить в виде 3-х блоков: управляющая программа, устройство ЧПУ, станок.

Управляющая программа содержит укрупненное кодированное описание всех стадий обработки детали. В качестве программоносителя чаще всего используется перфолента или магнитная лента. В устройстве ЧПУ управляющая программа транслируется в результате чего происходит формирование команд в реальном масштабе машинного времени станка.

Станок представляет собой основной потребитель управляющей информации, а более конкретно – механизмы координатных подач, регулируемый привод главного движения, устройство смены инструмента, устройство зажима заготовки.

Рассмотрим структурную схему системы ЧПУ типа NC (рис.6.1) Устройство ввода – предназначено для по кадрового ввода управляющей программы. Для этой цели применяются фотосчитывающие устройства (ФСУ).

Блок запоминания – предназначен для хранения в в буферной памяти информации одного кадра, необходимый из-за того, что информация с перфоленты считывается последовательно, а используется параллельно, т.е. вся сразу. В этом блоке осуществляется контроль и формирование соответствующего сигнала в случае возникновения ошибки. Во многих СЧПУ этот блок может принимать информацию от ЭВМ минуя ФСУ.

Рис.6.1. Структурная схема устройства ЧПУ типа NC

Пульт управления и индикации – служит для связи СЧПУ с оператором. С пульта осуществляется пуск и останов системы, переключения режима работы.

Блок интерполяции – формирует траекторию движения инструмента между двумя или более точками, заданными в программе. Наиболее часто используют линейную и круговую интерполяцию. Этот блок представляет специализированное цифровое вычислительно устройство для решения одной-двух задач. Выходная информация интерполятора обычно представлена в импульсной форме, частота которых определяет скорость подач, а общее количество – пройденный путь.

Основной характеристикой интерполятора является максимальная частота импульсов на выходе.

Блок управления приводом подач –служит для преобразования информации, получаемой с выхода интерполятора в форму, пригодную для приводов подач.

При поступлении каждого импульса управляемый объект перемещается на определенную величину, называемую ценой импульса (0,01 – 0,02 мм).

Блок скоростей подач – обеспечивает заданную скорость подачи вдоль контура, а также процессы разгона и торможения по заданному закону.

Блок коррекции программы служит для изменения запрограммированных параметров обработки: скорости подачи и размеров инструмента. Изменение скорости подачи возможно от 5 до 120% от номинала. Изменение длины инструмента возможно в пределах от 0 до 100 мм.

Блок технологических команд служит для управления цикловой автоматикой станка, включающей поиск и смену инструмента, смену скорости шпинделя, зажим-разжим координат станка и состоит в основном из исполнительных элементов типа пускателей, электромагнитных муфт, соленоидов, концевых и путевых выключателей, реле тока, давления и т.д.

Блок стандартных циклов служит для облегчения программирования и сокращения длины программы при позиционной обработке повторяющихся элементов детали. Например: сверление и растачивание отверстий, нарезание резьбы. На перфоленте не программируются также операции как быстрый подвод и отвод сверла – это заложено в соответствующем стандартном цикле.

Адаптивный блок осуществляет оптимизацию режимов резания на основании информации поступающей с датчика активного контроля (ДАК).

Управляющая программа, записанная на программоноситель, через устройство ввода записывается по кадрам в блок запоминания. После считывания всего кадра содержимое блока запоминания передается в другие специализированные блоки. Информация о величине перемещения исполнительного узла поступает на один из входов интерполятора, информация о скорости подачи поступает в блок скоростей подач, информация о номерах используемых корректоров поступает в блок коррекций, технологические команды передаются в блок технологических команд, информация об используемых стандартных циклах передается в блок стандартных циклов.

В блоке технологических команд информация дешифруется и через блок согласования передается на станок для управления цикловой автоматикой. С выхода блока коррекций информация о величине коррекции скорости подачи передается в блок скоростей подач, а величина коррекций перемещений в интерполятор. На выходе блока скоростей подач формируется последовательность импульсов, частота которых пропорциональна скорости подачи и передается на вход интерполятора. Информация о всех циклических перемещениях стандартного цикла так же поступает в интерполятор. На основании всех исходных данных, поступивших на вход интерполятора, последний начинает рассчитывать траекторию перемещения исполнительного узла от одной опорной точки контура детали до другой. Управляющее воздействие в виде унитарной последовательности импульсов заданного количества и заданной частоты поступает на блок управления приводом подач и далее на привод. Информация о текущем положении исполнительного узла через датчик обратной связи поступает на пульт управления и индикации для визуализации и в блок управления приводами подач. Информация о протекании процесса резания через датчик активного контроля поступает на вход адаптивного блока на выходе которого формируются значения скорости подачи, скорости главного движения, обеспечивающие оптимальную обработку.

Структурные схемы систем ЧПУ класса CNC.

С появлением систем класса CNC значительно расширились функциональные возможности программного управления, появились функции, которые раньше не могли быть реализованы: хранение программы управления и ее редактирование непосредственно на рабочем месте, расширенные возможности индикации на дисплее, диалоговое общение с оператором, широкие возможности коррекции, в том числе и погрешностей станка и др. Появление микропроцессоров и микроЭВМ привело к качественным изменениям в технике программного управления.

Появилась возможность унифицировать аппаратные части УЧПУ для различных групп станков, что позволило резко сократить число модификаций устройств, уменьшить время их проектирования и изготовления.

Несмотря на относительно малый срок применения систем ЧПУ данного типа, они в своем развитии прошли несколько этапов, определяемых уровнем развития электронной техники.

Первые устройства этого типа напоминали микро ЭВМ и имели структуру представленную на рис. 6.2.

Связь со станком в этих системах осуществляется через интерфейсный блок привода, через который осуществляется обмен управляющими сигналами на привод и сигналами с датчиков обратной связи.

Рис.6.2. Обобщенная структура системы ЧПУ на базе микро ЭВМ Основным недостатком систем данного типа является малая скорость выдачи управляющих команд в приводы металлорежущего станка, так как микро ЭВМ решает здесь все задачи связанные с управление приводами, первичной обработкой данных, диспетчирования и некоторые другие.

Для снятия этого ограничения получили распространение системы управления с микропроцессором на входе (рис.6.3).

Рис.6.3. Обобщенная структурная схема систему ЧПУ с микропроцессором на входе Микропроцессорный узел здесь обладает определенной автономией и решает задачи распределения в памяти управляющей технологической программы, первичной переработки информации, обращение к периферии, обработки прерываний и др. Задача формирования траектории решается специализированными блоками. Недостатком таких систем является наличие специализированных блоков.

Современные устройства ЧПУ типа CNC строят на базе одного или нескольких процессоров. Структурная схема такой системы ЧПУ «Электроника НЦ – 31»

представлена на рисунке 6.4.

Рис.6.4. Структурная схема устройства ЧПУ «Электроника НЦ – 31»

УЧПУ предназначено для управления токарными станками со следящим приводом подач и импульсными датчиками обратной связи.

КИП – контроллер импульсных преобразователей в код угла поворота по осям x, z шпинделя и штурвала АМТ – адаптер магистрали МНЦ и программируемой таймер ВП – внешняя память Блоки П1, П2, ОЗУ и АМТ – образуют вычислительную часть Блоки ПО, КП, КИП, КЭ реализуют связь со станком. Все функциональные модули взаимодействуют между собой через магистраль МНЦ. Все модули делятся на ведущие и ведомые. Ведущие модули П1, П2, АМТ, К.Э., КИП, ПО в процессе работы требуют обмена информацией с другими модулями или прервать работу другого модуля. Ведомые модули ОЗУ, ОЗУ-ВП, КП участвуют в обмене информацией.

Обмен информацией по МНЦ между модулями осуществляется 16 разрядными словами. Адрес хранения слова также представляется в виде 16-разрядного двоичного хода. Магистраль МНЦ представляется одному из ведущих модулей по специальному алгоритму процессором П1.

Дополнительный канал управления увеличивает функциональную гибкость УЧПУ и позволяет сократить аппаратную часть в модулях К.Э., КИП, КП, ПО.

Процессоры П1 и П2 совместно выполняют программу работы УЧПУ.

Модуль КЭ обеспечивает необходимое электрическое согласование сигналов между УЧПУ и электроавтоматикой Модуль КИП выполняет следующие функции: преобразует сигналы между УЧПУ и датчиками угла поворота; преобразует унитарный ход в 16-ти разрядный двоичный ход.

Модуль КП, обеспечивающий управление подачей режущего инструмента по осям x и z, преобразует двоичный ход скорости подачи в пропорциональный этому ходу аналоговый сигнал. Аналоговый сигнал изменяется в диапазоне от -10в до +10 в с шагом 5 мв.

Модуль АМТ выполняет функцию преобразования МНЦ в радиальный канал управления модулями К Э, КИП, КП, ПО.

7. Кодирование управляющей информации.

Кодирование управляющей информации является одним из основных этапов подготовки производства с применением станков с ЧПУ. Управляющую программу разрабатывают на основе технологического процесса изготовления детали и записывают на программоноситель или в ОЗУ УЧПУ в системе кодирования.

Наибольшее распространение получила система кодирования ISO –7bit ГОСТ 20999-78.

Основу системы составляет двоичная система счисления. Кодирование информации осуществляется адресным способом, т.е. задается адрес буквой латинского алфавита, который определяет действие. За адресом следует его содержимое в числовом ходе. При использовании в качестве программоносителя бумажной перфоленты для кодирования букв и служебных знаков используется семь разрядов (дорожек) двоичного хода. Кодирование числовой информации осуществляется в двоично-десятичном ходе и используется четыре младших разряда.

Пример двоичного кода натурального ряда чисел представлен в таблице 7.1.

Таблица 7.1 Натуральный Двоичный код ряд чисел 08 + 04 + 02 + 01 = 0 1 0 0 0 1 08 + 04 + 02 + 11 = 1 2 0 0 1 0 08 + 04 + 12 + 01 = 2 3 0 0 1 1 08 + 04 + 12 + 11 = 3 4 0 1 0 0 08 + 11 + 02 + 01 = 4 5 0 1 0 0 08 + 14 + 02 + 11 = 5 6 0 1 1 0 08 + 14 + 12 + 01 = 6 7 0 1 1 1 08 + 14 + 12 + 11 = 7 8 1 0 0 0 18 + 04 + 02 + 01 = 8 9 1 0 0 1 18 + 04 + 02 + 11 = 9 Ниже приведен пример записи числа 596 в двоично-десятичном коде 0|1|0 1|0|1 0|0|1 0|1|0 Управляющая информация записывается на программоносителе или в ОЗУ кадрами.

Каждый кадр содержит информацию для выполнения одного перехода.

В каждом последующем кадре задается информация, изменяющаяся по отношению к предыдущему. Кадры состоят из слов. Слово – это некоторое число строк, определяющих одно понятие (подача, главное движение, подготовительная функция и т.д.). Слово состоит из двух частей: первая часть – адрес; вторая часть – содержимое адреса. Адрес определяет действие, которое надо выполнить, а содержимое адреса определяет количество этого действия.

Каждый кадр программы управления должен содержать следующие слова:

Слово «Номер кадра»

Информационные слова Символ «Конец кадра»

Информационные слова в кадре должны записываться в следующей последовательности:

Слово ( или слова) «Подготовительная функция»

Слова «Размерные перемещения»

Слово «Функция подачи»

Слово «Скорость главного движения»

Слово «Функция инструмента»

Слово ( или слова) «Вспомогательная функция»

В пределах одного кадра слова с одинаковыми адресами не должны повторяться кроме M, G. Кадр, содержащий всю технологическую информацию для обработки ряда однотипных поверхностей, называется главным и обозначается « :

». Линейные размеры выражаются в миллиметрах, а угловые в градусах. Правило записи информации определяется форматом системы ЧПУ. Ниже приведен пример формата.

N03 G2 X + 042 У032 Z + 032 F04 S03 Т2 М2

Запись X + 042 указывает правило кодирования информации при программировании перемещения по оси Х и расшифровывается следующим образом:

+ — означает что цифры могут быть как положительные, так и отрицательные.;

4 — до запятой 4 цифры;

2 — после запятой 2 цифры;

0 – незначащие нули возможно опускать.

Ниже приведены значения наиболее часто употребляемых групп подготовительных и вспомогательных функций.

G – 01 – линейная интерполяция G – 02 03 – кадровая интерполяция G – 08 – разгон G – 09 – торможение G – 33 – нарезание резьбы G – 80 – отмена цикла G – 8189 – постоянные циклы В одном кадре не должны программироваться G, принадлежащие к одной группе.

М 00 – программируемый останов М 02 – конец программы М 04 – вращение сил М 03 – вращение сил М 08 – включение охл.

М 09 – включение охл.

М 10 – зажим М 11 – разжим Кодирование скорости подачи осуществляется адресом F, скорости главного движения M

Подача и скорость главного движения могут кодироваться следующими методами*:

Метод прямого обозначения.

метод геометрической прогрессии метод арифметической прогрессии символический метод

При кодирование резьбонарезания в кадре должны быть записаны:

Слово «Подготовительная функция», определяющее режим резьбонарезания G 33, G 34, G 35 Слово «Размерное перемещение» x, y или z, определяющее длину участка резьбы.

Слово “Размерное перемещение” I, J, K, определяющее шаг резьбы вдоль оси x, y, z.

Отмена режима резьбонарезания производится подготовительной функцией G 01, G 02, G 03.

* — к сожалению данные положения ГОСТа не всегда выполняются разработчиками систем ЧПУ. Это надо иметь ввиду при изучении конкретных систем.

При нарезании резьбы резцом используются многопроходные циклы в которых поперечная подача на один проход может осуществляться одним из способов:

Рис.7.1. Способы подачи резца при резьбонарезании а) б) радиальная подача (рис. 7.1,а); подача в разбег (рис. 7.1,б).

При радиальной подаче перемещение резца может осуществляться как перпендикулярно к оси детали, так и под некоторым углом. Перемещение под углом перераспределяет припуск между левой и правой режущими кромками резца, что улучшает стружкообразование и повышает стойкость резца. Такими же свойствами обладает способ подачи в разбег. Угол наклона и величина разбега как правило задаются параметрами цикла.

Кодирование перемещений вдоль координатных осей (интерполяцию) производят на определенной части заданной траектории. Интерполируемая часть траектории называется участком интерполяции и может быть записана в одном или нескольких кадрах программы управления.

Тип интерполяции определяется соответствующей подготовительной функцией.

Начальная точка интерполяции совпадает с конечной точкой предыдущего участка. Каждый последующей точке, лежащей на участке интерполяции и имеющей определенный координаты, соответствует отдельный кадр информации с адресами x, y z.

Если УЧПУ допускает задание размеров как в абсолютных значениях, так и в приращениях, то соответствующий режим работы УЧПУ выбирается применением соответствующей подготовительной функцией G 90, G 91.

Прямолинейный участок интерполяции задается в одном кадре, который должен содержать следующую информацию:

Слово «Подготовительная функция»

координаты конечной точки, которые должны быть заданы в абсолютных значениях или в приращениях с соответствующими Рис.7.2. Линейная интерполяция адресами перемещений (рис.7.2).

Р0 и Р1 – начальная конечная точки интерполяции Абсолютный размер x = x1 y = y1 Размер в приращениях X = x1-x0 Y =y1-y0 Дугу окружности, лежащую в одной из трех координатных плоскостей, задают в одном или нескольких кадрах программы управления (рис.7.3).

8.Преобразование, контроль и ввод информации.

Преобразование информации из одной системы счисления в другую осуществляется с помощью различных шифраторов. Наибольшее распространение для этих целей получили диодные матрицы.

Диодная матрица образуется из скрещивающихся шин. В необходимых точках эти шины либо закорачиваются, либо соединяются посредством диодов с целью предотвращения возникновения ложного сигнала. Ввод информации осуществляется с помощью клавиатуры. После замыкания какого-либо контакта срабатывает одно реле или их комбинация. Каждое реле обеспечивает работу одного пуансона при записи информации на программоноситель. При записи информации в ОЗУ сигнал или их комбинация поступают на вход схемы комутации, которая управляет записью информации в регистры запоминающего устройства. На рисунке 8.1 представлена диодная матрица для кодирования натурального ряда чисел.

Рис.8.1. Диодная матрица

Для уменьшения вероятности возникновения ошибок, которые могут возникать из-за сбоев, например устройства подготовки данных на перфоленте, вводимую информацию проверяют на четность или нечетность суммы кодовой комбинации. Для этого служит восьмая дорожка перфоленты. В системах класса NC эта проверка реализуется специальной схемой. Схема пропустит сигнал только в случае четной суммы кодовой комбинации (рис.8.2). Рассмотрим принцип действия такой схемы на примере проверки фрагмента перфоленты содержащей только числовую информацию т.е. четыре младших разряда р1 – р8 (дорожки 1 – 4) и дополнительный разряд рД.(нижняя дорожка). На фрагменте перфоленты (рис.8.2,а) в первой строке закодирована цифра 5. Сумма кодовой комбинации ее равна двум т.е. четна, поэтому отверстие на дополнительной дорожке в этой строке отсутствует. Во второй строке закодированца цифра 8. Сумма кодовой комбинации ее равна единице т.е. нечетна, поэтому отверстие на дополнительной дорожке в этой строке присутствует. При протягивании перфоленты через специальное светодиодное устройство будут срабатывать разрядные реле Р1 – Р8, РД в том случае, если мимо соответствующего светодиода будет находиться в данный момент времени отверстие. При срабатывании реле его контактная группа меняет свое состояние.

Контакты этих реле скомутированы по схеме изображенной на рис. 8.2,б. На вход этой схемы подается сигнал синхродорожки, который присутствует в каждой

строке (на рисунке не показан). Так при прохождении мимо светодиодного устройства первой строки сработают реле Р1 и Р4, изменится состояние их контактных групп, т. е. Нормально разомкнутые контакты замкнутся, а нормально замкнутые разомкнутся. Если сигнал синхродорожки пройдет, то ошибки нет, если же будет пробито одно отверстие или три, то сигнал не пройдет, что будет означать наличие ошибки.

В системах класса CNC эта проверка реализуется микропроцессором, управляющим вводом посредством специальной программы.

Проверенная информация вводится последовательно в запоминающее устройство, дешифруется, заносится в соответствующие регистры памяти, откуда целиком поступает на обработку.

Рассмотрим принцип действия запоминающего устройства, структурная схема которого представлена на рис.8.3.

На схеме приняты следующие сокращенные обозначения:

ФСУ – фотосчитывающее устройство;

АД — адресный дешифратор;

СС — сигнал синхродорожки.

Информация, считываемая по строчно фотосчитывающим устройством блока ввода попадает на вход дешифратора. В адресном дешифраторе по коду адреса происходит его распознавание и по соответствующему адресному каналу на один из входов адресной схемы «И» подается сигнал. На второй вход всех адресных схем «И» подается сигнал синхродорожки. На выходе той схемы, на входе которой присутствуют оба сигнала, сформируется сигнал и поступит на вход соответствующего комутатора, который приготовит к записи информации соответствующий регистр памяти. Следующая за кодом адреса, информация содержимого адреса поступает непосредственно на вход в сех адресных регистров памяти, но запишется только в ток, который подготовлен для записи соответствующим комутатором. Адрес «конец кадра» записывается в соответствующий регистр и поступает на один из входов схемы «И». После этого блок переходит в ждущий режим пока не отработается предыдущий кадр. После чего формируется сигнал «конец отработки кадра», который через регистр КОК поступает на второй вход схемы «И». На выходе этой схемы формируется сигнал, поступающий на все адресные регистры, после чего информация из них одновременно пресылается в другие функциональные блоки.

С Рис.8.3. Структурная схема блока запоминания Коммутаторы предназначены для распределения информации по соответствующим десятичным разрядам регистров памяти.

Как уже говорилось выше числовая информация записывается в двоичнодесятичном коде. После ввода ее в систему ЧПУ ее необходимо преобразовать в двоичный код.

Преобразование двоично-десятичного кода в двоичный сводится к последовательному выполнению операции деления на два (сдвиг) с последующей коррекцией соседних разрядов с учетом переноса. При делении на два могут возникнуть две ситуации в зависимости от того делится ли число без остатка в десятичном разряде или нет. В первом случае переносов в младший разряд нет. Во втором случае возникает остаток 0,5, который при переносе в младший разряд дает число 5 (0101) на которое должно быть скорректировано число в младшем разряде.

Каждый электрик должен знать:  Расчет физических свойств катушки с помощью калькулятора

На рисунке 8.4 представлена граф-схема управляющего автомата преобразования двоично-десятичного кода в двоичный код.

Проверка:

9. Преобразование кодированной информации в управляющие сигналы. Интерполяторы.

Одним из важных этапов обработки управляющей информации является выдача сигналов для исполнительных приводов станка. Этот процесс называется интерполяцией, т.е. выдачей информации о траектории движения инструмента в интервале между координатами опорных точек заданных в управляющей программе. Если траектория задана прямой, то выполняют линейную интерполяцию, если окружностью, то круговую интерполяцию.

Интерполяцию выполняют либо специализированные устройства (NC) либо специальные программы ПМО ( СNC).

Рассмотрим алгоритмы линейно-круговой интерполяции. Наибольшее распространение получили способы: 1) способ в основу которого положено решение алгебраических выражений (метод оценочной функции). и 2) опирающийся на решение диффериенциальных уравнений прямой и окружности (метод ЦДА); В большинстве УЧПУ интерполяция производится по методу оценочной функции.

Разберемся в сущности метода оценочной функции на примере линей ной интерполяции.

Линейная интерполяция. Запишем уравнение интерполируемой прямой (рис.9.1) в отрезках

Выражение с лева называется оценочной функцией и обозначается Fi,j. Интерполируемая прямая разделяет плоскость xоy на две области: F0, где значения оценочной функции F положительны; и F 0. Отрезок ОК представляет собой область, где F = 0.

Принимаем следующую стратегию управления при перемещении из начальной точки О в конечную точку К. Если точка лежит в области F 0, то делается Рис.9.1. Линейная интерполяция методом оценочной функции один шаг вдоль оси x (рис.9.1), если в области F 0, то шаг делается вдоль оси y.

Шаги делаются непрерывно с частотой задаваемой блоком задания скорости до тех пор, пока траектория не достигнет точки с координатой хк, ук.

Текущие значения оценочной функции определяются следующим образом:

Из выражений (3) и (4) видно, что текущие значения оценочной функции зависят её значений на предыдущем шаге и от координат Xк, Yк. Но так как начальной значение оценочной функции всегда равно 0, то все последующие её значения будут определяться координатами Xк, Yк.

На основании вышеизложенного структурная схема интерполятора будет иметь следующий вид (рис.9.2).


Из адресных регистров памяти информация поступает в блок задания скорости и регистры интерполятора Xk, Yk. В начале цикла в регистре Fij записаны нули. Согласно принятой стратегии управления дискриминатор посылает первый импульс с ГИ в канал Х. Этот импульс пойдет: 1) на вход блока управления привода подач по оси Х на отработку единичного шага; 2) на вход схемы И, которая сложит (с учетом знака) содержимое регистра Yk с содержимым регистра Fij; 3) уменьшит на единицу содержимое регистра Х *к.

Весь цикл будет повторяться до тех пор, пока содержимое регистров Х *к и Y *к не станет равно нулю. В системе типа CNC микропроцессор в своем ПМО должен содержать программу, работающую по следующему алгоритму.

Круговая интерполяция. Интерполируемый отрезок дуги (рис.9.4) разделяет плоскость хоу на две области: F0, где значения оценочной функции F положительны; и F 0, где значения оценочной функции отрицательны. Дуга ОК представляет собой область, где F = 0.

Значения оценочной функции при круговой интерполяции определяются из выражения

Принимаем следующую стратегию управления при перемещении из начальной точки О в конечную точку К. Если точка лежит в области F 0, то делается один шаг вдоль оси -x (рис.9.4), если в области F 0, то шаг делается вдоль оси y.

Шаги делаются непрерывно с частотой задаваемой блоком задания скорости до тех пор, пока траектория не достигнет точки с координатой хк, ук. Текущие значения оценочной функции после единичных шагов по оси X и по оси Y будут определяться из выражений

Таким образом, для формирования нового значения оценочной функции необходимо знать значение её на предыдущем шаге, значения координат текущей точки. Структурная схема устройства, реализующего данный алгоритм, представлена на рис.9.5.

Из адресных регистров памяти информация поступает в блок задания скорости и регистры интерполятора Xk Yk. В начале цикла в регистре Fij записаны нули. Согласно принятой стратегии управления дискриминатор посылает первый импульс с ГИ в канал Х. Этот импульс пойдет: 1) на вход блока управления привода подач по оси Х на отработку единичного шага; 2) на вход регистра текущей координаты Xi, увеличив её на единицу; 3) на вход схемы И, которая сложит (с учетом знака) содержимое регистра Xi с содержимым регистра Fij; 4) уменьшит на единицу содержимое регистра Хk, 5) увеличит содержимое регистра Fij на единицу.

Весь цикл будет повторяться до тех пор, пока содержимое регистров Хk и Yk не станет равно нулю. В системе типа CNC микропроцессор в своем ПМО должен содержать программу, работающую по аналогичному представленному на рисунке 9.3.

Второй способ — это интерполяции по методу ЦДА. Этот метод заключается в моделировании дифференциального уравнения воспроизводимой траектории с помощью дифференциальных анализаторов.

Пусть имеем алгебраическое уравнение прямой линии

где D х и D у — средние межтактовые приращения по соответствующим координатам. Для того, чтобы получить суммарные кадровые приращения, надо проинтегрировать параметрические уравнения (11).

Вычисление данных интегралов заменяют приближениями Эйлера.

10. Блок управления скоростью подач В начале и конце перемещения исполнительного узла возникают недопустимо большие перепады в значениях скорости подачи. При этом возникают большие динамические нагрузки на элементы привода, а так же возникают большие динамические погрешности в управлении. Во избежании этого системы ЧПУ имеют в своем составе устройства обеспечивающие автоматический постепенный разгон в начале отработки кадра и автоматическое плавное торможение в конце отработки кадра. В системах ЧПУ типа NC данные функции выполняет блок управления скоростью подачи. Структурная схема этого блока представлена на рис.10.1.

Рис.10.1. Структурная схема блока управления скоростью подач

Входное устройство этого блока состоит из рабочего и буферного регистров памяти. В рабочем регистре хранится значение скорости подачи, задаваемой к концу переходного процесса. Интегратор предназначен для формирования унитарной последовательности импульсов. Он состоит из регистра подинтегральной функции, регистра накопителя и сумматора. В регистре подинтегральной функции хранится текущее значение скорости подачи. В установившемся режиме это запрограммированная скорость подачи данного кадра, при разгоне или торможении это непрерывно меняющиеся значения. В регистре накопителе осуществляется непрерывное сложение содержимого регистра подинтегральной функции. Импульсы переполнения этого регистра являются импульсами задания скорости подачи.

Рассмотрим принцип действия данного блока для различных режимов.

Режим разгона. В рабочем регистре содержится значение скорости подачи заданной в данном кадре управляющей программы. Допустим, исполнительный узел находился в состоянии покоя. Тогда в обоих регистрах интегратора содержатся «0». На выходе блока сравнения появляется сигнал идентифицирующий режим разгона. В соответствии с этим сигналом в регистр подинтегральной функции начинает записываться 1. Содержимое этого регистра будет непрерывно возрастать, пока его содержимое не сравняется с содержимым рабочего регистра.

Одновременно с возрастанием содержимого регистра подинтегральной функции будет плавно возрастать частота импульсов переполнения регистра накопителя, т.е. будет плавно осуществляться разгон.

Установившийся режим. В рабочем регистре и регистре подинтегральной функции хранятся одинаковые числа. В соответствии с нулевым сигналом на выходе блока сравнения индикатор разгона – торможения не работает. С каждым управляющим тактом содержимое регистра накопителя возрастает на постоянную величину, хранящуюся в регистре подинтегральной функции (заданная скорость подачи), а следовательно и частота следования импульсов переполнения будет постоянной, соответствующей заданной скорости подачи.

Режим торможения. В рабочем регистре содержится значение скорости подачи заданной в данном кадре управляющей программы (допустим меньшей, чем в предыдущем). Регистр подинтегральной функции содержит значение скорости подачи предыдущего кадра. Схема сравнения идентифицирует режим торможения. При этом из регистра подинтегральной функции начинает вычитаться 1. Содержимое этого регистра будет непрерывно уменьшаться, пока его содержимое не сравняется с содержимым рабочего регистра. Одновременно с уменьшением содержимого регистра подинтегральной функции будет плавно уменьшаться частота импульсов переполнения регистра накопителя, т.е. будет осуществляться плавное торможение.

11.Информационные каналы ЧПУ

Информационные каналы являются основными связующими элементами систем ЧПУ, поэтому от качества их работы зависят общая помехоустойчивость и надежность работы. В УЧПУ на базе микро ЭВМ «Электроника – 60» (УЧПУ 2Р22), имеются два канала: информационный канал микро-ЭВМ типа «Общая шина» и канал модуля связи со станком – «Станочная магистраль».

Канал ЭВМ «Общая шина» имеет совмещенные шины адреса и данных. Физически канал представляет собой совокупность печатных проводников, соединяющих контакты разъемов для подключения процессора и интерфейсных блоков модулей.

Для повышения нагрузочной способности канала он разбит на две секции, одна из которых реализована в виде генмонтажной панели микро ЭВМ, вторая в виде генмонтажной панели логического блока устройства ЧПУ.

Электрические параметры канала настраиваются с помощью шинных согласователей (Ш.С.) – специальных резисторных делителей с определенным эквивалентным сопротивлением. Это обеспечивает надежную работу подключаемых интерфейсных блоков — модулей устройства ЧПУ.

Интерфейс связи со станком формирует второй информационный канал станочную магистраль. Этот канал состоит из трех шин.

Интегрированной адресной шины (ИАШ) – представляющей собой совокупность однонаправленных линий для передачи сигналов выбора одной из четырех групп субблоков модуля связи со станком (блоков управления приводами, блоков датчиков обратной связи, блока адаптивного управления, блока входных. и выходных. сигналов.).

Адресной шины (АШ) – являющейся продолжением адресной шины канала микро ЭВМ в виде ее четырех младших разрядов. АШ служит для выбора конкретного субблока в группе.

Двунаправленной шины данных (Ш.Д.), предназначенной для обмена данными между Ц.П. и субблоками модуля связи.

Для увеличения нагрузочной способности ШД разделена на две секции, а в месте стыка секций установлены уселители сигналов шины.

Интерфейсные блоки функциональных модулей УЧПУ.

Функциональные модули УЧПУ подключаются к информационному каналу ЭВМ с помощью типовых интерфейсных блоков, построенных по следующей стр.схеме

Интерфейсный блок состоит из пяти основных узлов:

Канальные приемо — передатчики Селектор адреса Дешифратор команд Выходной регистр Схема управления прерыванием.

Данный интерфейсный блок предназначен для обмена информацией между

ЦП и периферийным устройством. Данный блок предусматривает два режима работы:

1. Обмен с опросом готовности периферийного устройства к работе.

2. Обмен с использованием средств прерывания работы процессора.

Первый режим применяется в том случае, если время работы процессора на данное устройство не ограничено или информация от устройства является вспомогательной. Инициатором обмена в этом случае является Ц.П.

Во втором режиме инициатором обмена является переферийное устройство.

Обмен информацией между устройством и ЦП осуществляется с помощью двух регистров интерфейсного блока – регистра состояния и регистра данных.

Регистр состояния предназначен для сообщения процессору о состоянии, в данный момент, интерфейсного блока.

Регистр данных предназначен для приема информации от Ц.П и хранения ее перед выдачей на переферийное устройство или для приема информации от переферийного устройства и хранения ее перед выдачей с Ц.П.

Модуль связи со станком

Модуль состоит из четырех групп блоков:

Группа блоков входных сигналов Группа блоков выходных сигналов Группа блоков цифроаналоговых преобразователей Группа блоков аналогоцифровых преобразователей Модуль связи имеет свой информационный канал – станочную магистраль, связанную с информационным каналом микроЭВМ с помощью интерфейсного блока.

Блоки входных сигналов обеспечивают устойчивый прием дискретных сигналов электроавтоматики станка и построены по схеме (рис.11.1).

Рис.11.1. Структурная схема блока входных сигналов Входные сигналы, полученные в станке (включение реле, концевых выключателей и т.п.) с помощью входных делителей подаются на оптроны и на входы буферного регистра и сразу же записываются в него.

Каждый разряд регистра соответствует одному дискретному сигналу со станка. Чтение информации с буферного регистра выполняется по инициативе центрального процессора. Выбор конкретного набора сигналов осуществляется с помощью дешифратора, на вход которого подаются сигналы адресной шины станочной магистрали.

Аналогично функционируют блоки выходных сигналов.

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). ЦАП преобразует цифровой код подачи или частоты вращения шпинделя в соответствующий аналоговый сигнал, поступающий на привод исполнительного привода станка.

Структурная схема ЦАП показана на рис.11.2.

Рис.11.2. Структурная схема цифроаналогового преобразо- вателя

Цифровой код, выставленный на станочной магистрали сигналом «Привод»

записывается в буферные регистры. Выборка разрядов записи осуществляется дешифратором. Выходы регистров управляют транзисторными ключами.

Токи транзисторных ключей суммируются на усилителе. С выхода усилителя, напряжение соответствующее заданному коду выдается на привод станка.

Аналогоцифровой преобразователь (АЦП, измерительная система).

Измерительная система предназначена для постоянного контроля положения рабочего органа станка с выдачей измеряемой координаты в цифровом виде.

Измерительная система состоит из трех блоков:

генератор тактовых импульсов;

формирователь питающих напряжений;

блок оцифровки выходного сигнала.

Структурная схема измерительной системы представлена на рис. 11.3.

Рис.11.3. Структурная схема аналогоцифрового преобразователя

Импульсы тактового генератора при помощи тактового делителя делятся в две импульсные последовательности с частотой 2,5 МГц и 25 КГц. Импульсы с частотой 25 КГц поступают в формирователь напряжений, где с помощью интегратора и усилителя преобразуется в синусоидальное питающее напряжение U Sin wt, и с помощью фазосдвигающей цепочки сдвигается на 90 градусов, и формируется напряжение U Cos wt. Эти сигналы подаются на первую и вторую статорные обмотки обмотки вращающегося трансформатора (датчика пути). Выходной сигнал с ротора вращающегося трансформатора так же представляет собой гармонический сигнал той же частоты и амплитуды, но сдвинутый по фазе относительно питающего напряжения U Sin wt на величину пропорциональную углу поворота ротора датчика, связанного с исполнительным органом станка. Сдвиг фазы 2p соответствует одному обороту ротора датчика. Фазовый дискриминатор определяет угол сдвига фаз между сигналами А и Б, и пропускает число импульсов с частотой 2,5 МГц в блок оцифровки пропорциональное фазе, т.е. углу поворота ротора или величине перемещения исполнительного узла станка. Блок оцифровки представляет собой совокупность счетчика и регистра накопителя. Данные с регистра накопителя считываются ЦП через станочную магистраль по сигналу «Датчик». Адресация процессора к конкретному блоку оцифровки, а следовательно, к измерительной системе выбранной координаты осуществляется дешифратором.

12. Системы автоматического управления роботами Робот как объект управления представляет собой сложную систему, состоящую из многозвенной механической конструкции. Задача управления роботом заключается в формировании управляющих воздействий для исполнительных двигателей, отработка которых гарантировала бы прохождение захватным устройством заданной траектории с заданной точностью.

Классификация систем автоматического управления роботами.

САУ роботами в соответствии с используемыми методами управления делятся на системы:

— программного управления, основой которых является метод движения манипулятора по заранее рассчитанной жесткой программе. Программа хранится на программоносителе и может быть изменена при перепрограммировании

— адаптивного управления, движение робота в этих системах организуется по гибко изменяемым программам. При этом перестройка программ происходит в ответ на изменение условий внешней среды. Для получения внешней информации адаптивные системы обеспечиваются разнообразными измерительными системами.

— интеллектного управления, в которых программа движения робота вообще не задается, а синтезируется системой управления на основе описания внешней среды, совокупности правил поведения в среде и имеющейся целевой установки задачи.

Системы программного управления делятся на цикловые, позиционные и контурные.

Цикловые системы управления роботами.

Характерными особенностями цикловых систем управления являются:

— программирование логической и технологической информации дискретного вида, определяющей последовательность движения звеньев манипулятора, длительность позиционирования;

— выделение информации о перемещениях по отдельным степеням подвижности, задаваемых с помощью регулируемых упоров или датчиков положения;

— сравнение заданного и фактического положений звеньев манипулятора;

— управление по разомкнутому циклу.

В состав УЦПУ входят управляюще – вычислительный модуль, программоноситель, блоки сопряжения, панель управления и пульт ручного управления обучением. Структурная схема представлена на рис.12.1.

Управляюще-вычислительный модуль (УВМ) формирует микрооперации (управляющие импульсы), соответствующие требуемому алгоритму, для выдачи их в операционные узлы и другие функциональные блоки. В качестве УВМ используются командоаппараты, микропрограммные автоматы различных типов.

Блок сопряжения выполняет функции формирования команд управления приводами, опроса состояния датчиков.

Рис.12.1. Структурная схема цисковой системы управления

Пульт ручного управления обучением служит для формирования управляющей программы. Процесс обучения заключается в ручной регулировке упоров, осуществляющих позиционирование робота и занесении в программоноситель информации о последовательности смены положений его отдельных звеньев.

Программирование управляющей информации производится по кадрам, состав и число которых определяются командами, выдаваемыми на приводы робота и технологическое оборудование.

Позиционно-контурные системы управления промышленными роботами Применение систем позиционно-контурного управления значительно расширяет технологические возможности роботов и практически исключает ограничения, связанные с числом точек позиционирования захватного устройства.

По способу обработки поступающей от робота геометрической информации системы делятся на системы с центральным вычислителем и системы с децензированной структурой, когда вычислитель входит в состав каждого координатного блока.

Структурная схема позиционного устройства управления представлена на рис.12.2.

Рис.12.2. Структурная схема позиционного устройства управления

Операционно-логический блок реализует функции центрального управления и логическую обработку информации. Обмен информацией между функциональными блоками выполняется через шины А, Б, С.

Буферное ЗУ предназначено для оперативного хранения рабочей программы.

Блок синхронизации формирует последовательность импульсов, синхронизирующих функционирование устройства, выдержек времени.

Блок измерения обеспечивает цифровое измерение положений манипулятора и содержит преобразователи сигнала датчиков.

Цикловая система управления токарно-револьверным станком ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

В ходе лабораторной работы необходимо научиться составлять управляющие программы для станков, оснащенных цикловыми системами управления.

В соответствии с этим необходимо:

1. Изучить кинематику станка;

2. Ознакомиться с устройством станка;

3. Ознакомиться с системой управления;

4. Составить управляющую программу.

1.Назначение и область применения станка.

Токарно-револьверный станок 1Г340ПЦ с горизонтальной осью револьверной головки с цикловым программным управлением предназначен для выполнения сверлильных, токарных, резьбонарезных работ в условиях серийного и мелкосерийного производства.

Станок может изготавливать детали из прутковых материалов и штучных заготовок.

Обработка из пруткового материала производится в автоматическом цикле, из штучных заготовок — в полуавтоматическом цикле. Задание программы осуществляется по элементарным циклам на штекерной панели. Регулирование частоты вращения шпинделя и величины подачи осуществляется автоматическими коробками скоростей и подач.

2.Кинематика станка. Кинематическая схема станка представлена на рис. 1.

Движение от главного электродвигателя М1 через клиноременную передачу передается на автоматическую коробку скоростей (АКС), которая служит для регулирования частоты вращения шпинделя.

Переключение скоростей осуществляется электромагнитными муфтами. С выходного вала АКС движение через клиноременные передачи передаются на шпиндель (Ш) и автоматическую коробку подач (АКП). Переключение подач осуществляется электромагнитными муфтами.

С выхода АКП движение передается на фартук (Ф) для получения продольных подач револьверного суппорта (PC) и через клиноременную передачу для получения поперечных подач (вращательное движение револьверной головки (РГ) вокруг своей оси).

Двухскоростной электродвигатель М2 служит для ускоренного продольного перемещения PC со скоростями 6 м/мин и 3 м/мин.

Электродвигатель М3 служит для ускоренного вращательного движения РГ вокруг своей оси.

Для автоматического переключения элементарных циклов системы управления служит барабан жестких упоров и кулачков промежуточных команд (Б).

Ш РГ АКП М2 М1 Ф А

3.Общие сведения о системе циклового программного управления Для управления работой станка используется система циклового программного управления, выполненная на контактных элементах, в качестве которых используются электромагнитные реле, и бесконтактных элементах — тиристорных ключах.

Система циклового программного управления предусматривает автоматическую:

подачу и зажим заготовки;

последовательность движений рабочих органов станка, задаваемую на штекерной панели при помощи штекеров.

Величины перемещений задаются настройкой упоров. Упоры воздействуют на конечные выключатели, установленные на станине и корпусе револьверного суппорта. Для получения заданных геометрических размеров по длине детали, регулируемые упоры устанавливаются на барабане (Б), а по диаметру — на револьверной головке (РГ).

Система управления станком обеспечивает выполнение 32 переходов, число которых равно числу позиций револьверной головки. На каждом переходе может быть использован один из 6 элементарных замкнутых циклов, или цикл начала обработки, или цикл конца обработки, или цикл подачи и зажима материала. Для каждого элементарного цикла задаются частота вращения шпинделя и подача (продольная и поперечная).

Каждый элементарный цикл является завершенной частью совокупности элементарных движений (например: быстрый подвод, рабочая подача, быстрый отвод, поворот револьверной головки).

Программа, представляющая собой операционную карту, заносится в программоноситель в качестве, которого используется штекерная панель. Штекерная панель имеет 32 (16+16) вертикальные шины, количество которых равно количеству позиций револьверной головки и 20 горизонтальных строк, количество котоРис.2. Штекерная панель рых равно количеству элементарных циклов и технологических команд. Общий вид штекерной панели показан на рис. 2.

Назначение горизонтальных строк штекерной панели следующее:

1 — начало цикла обработки детали;

2 — конец цикла обработки детали;

3 — команда подачи прутка до упора и включения зажимного устройства;

4 — простой цикл;

5 — цикл с поперечной подачей револьверной головки;

6 — простой цикл с отводом от обработанной детали (чистовое точение);

7 — цикл нарезания резьб метчиками или плашками;

8 — цикл обработки детали «за буртом»;

9 — цикл глубокого сверления;

10 — включение охлаждения;

11 — выбор диапазонов вращения главного электродвигателя (1-й или 2-й);

12, 13, 14 — задание числа оборотов шпинделя;

15, 16, 17 — задание величин продольных подач револьверного суппорта;

18, 19, 20 — задание величин поперечных подач револьверной головки.

Программирование системы управления заключается в установлении штекеров в соответствующие отверстия штекерной панели, которые находятся на пересечении вертикальных и горизонтальных шин. Заполнение штекерной панели осуществляется по операционной карте.

4.Элементарные циклы Элементарные циклы предназначены для выполнения отдельных переходов при обработке детали. В таблице 1 приведены имена элементарных циклов, их содержание и циклограммы.

6.Указания к выполнению работы.

1. Ознакомиться с кинематической схемой станка.

2. По заданному номеру варианта из таблицы приложения 1 зарисовать эскиз детали и обозначить все недостающие размеры.

3. Составить операционную карту наладки.

4. Запустить на выполнение программу с именем «CPU.ЕХЕ» или «CPUE.ЕХЕ».

5.Нажатием клавиши F2 войти в режим заполнения штекерной панели. Заполнить её по программе (по операционной карте). Выход из режима – Esk.

6. По нажатию клавиши F3 войти в режим задания размеров заготовки и задать диаметр и длину заготовки.

7. По нажатию клавиши F4 войти в режим выбора инструмента. Выбрать для каждого перехода (элементарного цикла) требуемый инструмент и задать его размеры.

8. По нажатию клавиши F5 войти в режим расстановки путевых выключателей. Расставить путевые выключатели для каждого перехода. Величины расстановки берутся из чертежа или с карты наладки.

9.Отработать программу, нажав клавишу F6.

10.Записать программу в память, для чего необходимо нажать клавишу F7 и ввести имя файла «D номер группы — номер варианта» (например D405-36).

7. Пример программирования обработки Ниже приведен пример операционной карты (рис.4), и штекерной панели (рис.5) для детали представленной на рис. 3. Набор инструментов доступных для обработки представлен на рис. 6.

Рис.4. Операционная карта наладки Рис.5. Штекерная панель для операционной карты, представленной на рис.4. Маленькими кружочками на наборном поле обозначены места установки штекеров.

Общие сведения о системах управления и станках с ЧПУ

Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек — в наличии на складе!
Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.

Сварочные экраны и защитные шторки — в наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор.
Доставка по всей России!

Под управлением станком принято понимать совокупность воздействий на его механизмы, обеспечивающие выполнение технологического цикла обработки, а под системой управления — устройство или совокупность устройств, реализующих эти воздействия.

Числовое программное управление (ЧПУ) — это управление, при котором программу задают в виде записанного на каком-либо носителе массива информации. Управляющая информация для систем ЧПУ является дискретной и ее обработка в процессе управления осуществляется цифровыми методами. Управление технологическими циклами практически повсеместно осуществляется с помощью программируемых логических контроллеров, реализуемых на основе принципов цифровых электронных вычислительных устройств.

В табл. 8.1 перечислены цели и функции современного многоуровневого устройства ЧПУ (УЧПУ).

Системы ЧПУ практически вытесняют другие типы систем управления.

По технологическому назначению и функциональным возможностям системы ЧПУ подразделяют на четыре группы:

  • позиционные, в которых задают только координаты конечных точек положения исполнительных органов после выполнения ими определенных элементов рабочего цикла;
  • контурные или непрерывные, управляющие движением исполнительного органа по заданной криволинейной траектории;
  • универсальные (комбинированные), в которых осуществляется программирование как перемещений при позиционировании, так и движения исполнительных органов по траектории, а также смены инструментов и загрузки-выгрузки заготовок.
  • многоконтурные системы, обеспечивающие одновременное или последовательное управление функционированием ряда узлов и механизмов станка.

Примером применения систем ЧПУ первой группы являются сверлильные, расточные и координатно-расточные станки. Примером второй группы служат системы ЧПУ различных токарных, фрезерных и круглошлифовальных станков. К третьей группе относятся системы ЧПУ различных многоцелевых токарных и сверлильно-фрезерно-расточных станков.

К четвертой группе относятся бесцентровые круглошлифовальные станки, в которых от систем ЧПУ управляют различными механизмами: правки, подачи бабок и т.д. Существуют позиционные, контурные, комбинированные и многоконтурные (рис. 8.1, а) циклы управления.

По способу подготовки и ввода управляющей программы различают так называемые оперативные системы ЧПУ (в этом случае управляющую программу готовят и редактируют непосредственно на станке, в процессе обработки первой детали из партии или имитации ее обработки) и системы, для которых управляющая программа готовится независимо от места обработки детали. Причем независимая подготовка управляющей программы может выполняться либо с помощью средств вычислительной техники, входящих в состав системы ЧПУ данного станка, либо вне ее (вручную или с помощью системы автоматизации программирования).

Программируемые контроллеры — это устройства управления электроавтоматикой станка. Большинство программируемых контроллеров имеют модульную конструкцию, в состав которой входят источник питания, процессорный блок и программируемая память, а также различные модули входов/выходов. Для создания и отладки программ работы станка применяют программирующие аппараты. Принцип работы контроллера: опрашиваются необходимые входы/выходы и полученные данные анализируются в процессорном блоке. При этом решаются логические задачи и результат вычисления передается на соответствующий логический или физический выход для подачи в соответствующий механизм станка.

В программируемых контроллерах используют различные типы памяти, в которой хранится программа электроавтоматики станка: электрическую перепрограммируемую энергонезависимую память; оперативную память со свободным доступом; стираемую ультрафиолетовым излучением и электрически перепрограммируемую.

Программируемый контроллер имеет систему диагностики: входов/выходов, ошибки в работе процессора, памяти, батареи, связи и других элементов. Для упрощения поиска неисправностей современные интеллектуальные модули имеют самодиагностику.

Программоноситель может содержать как геометрическую, так и технологическую информацию. Технологическая информация обеспечивает определенный цикл работы станка, а геометрическая — характеризует форму, размеры элементов обрабатываемой заготовки и инструмента и их взаимное положение в пространстве.

Станки с программным управлением (ПУ) по виду управления подразделяют на станки с системами циклового программного управления (ЦПУ) и станки с системами числового программного управления (ЧПУ). Системы ЦПУ более просты, так как в них программируется только цикл работы станка, а величины рабочих перемещений, т.е. геометрическая информация, задаются упрощенно, например с помощью упоров. В станках с ЧПУ управление осуществляется от программоносителя, на который в числовом виде занесена и геометрическая, и технологическая информация.

В отдельную группу выделяют станки с цифровой индикацией и преднабором координат. В этих станках имеется электронное устройство для задания координат нужных точек (преднабор координат) и крестовый стол, снабженный датчиками положения, который дает команды на перемещение до необходимой позиции. При этом на экране высвечивается каждое текущее положение стола (цифровая индикация). В таких станках можно применять или преднабор координат или цифровую индикацию; исходную программу работы задает станочник.

В моделях станков с ПУ для обозначения степени автоматизации добавляется буква Ф с цифрой: Ф1 — станки с цифровой индикацией и преднабором координат; Ф2 — станки с позиционными и прямоугольными системами ЧПУ; Ф3 — станки с контурными системами ЧПУ и Ф4 — станки с универсальной системой ЧПУ для позиционной и контурной обработки. Особую группу составляют станки, имеющие ЧПУ для многоконтурной обработки, например бесцентровые круглошлифовальные станки. Для станков с цикловыми системами ПУ в обозначении модели введен индекс Ц, с оперативными системами — индекс Т (например, 16К20Т1).

ЧПУ обеспечивает управление движениями рабочих органов станка и скоростью их перемещения при формообразовании, а также последовательностью цикла обработки, режимами резания, различными вспомогательными функциями.

Система числового программного управления (СЧПУ) — это совокупность специализированных устройств, методов и средств, необходимых для осуществления ЧПУ станками. Устройство ЧПУ (УЧПУ) станками — это часть СЧПУ, выполненная как единое целое с ней и осуществляющая выдачу управляющих воздействий по заданной программе.

В международной практике приняты следующие обозначения: NC-ЧПУ; HNC — разновидность устройства ЧПУ с заданием программы оператором с пульта с помощью клавиш, переключателей и т. д.; SNC — устройство ЧПУ, имеющее память для хранения всей управляющей программы; CNC — управление автономным станком с ЧПУ, содержащее мини-ЭВМ или процессор; DNC — управление группой станков от общей ЭВМ.

Для станков с ЧПУ стандартизованы направления перемещений и их символика. Стандартом ISO-R841 принято за положительное направление перемещения элемента станка считать то, при котором инструмент или заготовка отходят один от другого. Исходной осью (ось Z) является ось рабочего шпинделя. Если эта ось поворотная, то ее положение выбирают перпендикулярно плоскости крепления детали. Положительное направление оси Z — от устройства крепления детали к инструменту. Тогда оси Х и Y расположатся так, как это показано на рис. 8.1.

Использование конкретного вида оборудования с ЧПУ зависит от сложности изготовляемой детали и серийности производства. Чем меньше серийность производства, тем большую технологическую гибкость должен иметь станок.

При изготовлении деталей со сложными пространственными профилями в единичном и мелкосерийном производстве использование станков с ЧПУ является почти единственным технически оправданным решением. Это оборудование целесообразно применять и в случае, если невозможно быстро изготовить оснастку. В серийном производстве также целесообразно использовать станки с ЧПУ В последнее время широко используют автономные станки с ЧПУ или системы из таких станков в условиях переналаживаемого крупносерийного производства.

Принципиальная особенность станка с ЧПУ — это работа по управляющей программе (УП), на которой записаны цикл работы оборудования для обработки конкретной детали и технологические режимы. При изменении обрабатываемой на станке детали необходимо просто сменить программу, что сокращает на 80. 90 % трудоемкость переналадки по сравнению с трудоемкостью этой операции на станках с ручным управлением.

Основные преимущества станков с ЧПУ:

  • производительность станка повышается в 1,5. 2,5 раза по сравнению с производительностью аналогичных станков с ручным управлением;
  • сочетается гибкость универсального оборудования с точностью и производительностью станка-автомата;
  • снижается потребность в квалифицированных рабочих-станочниках, а подготовка производства переносится в сферу инженерного труда;
  • детали, изготовленные по одной программе, являются взаимозаменяемыми, что сокращает время пригоночных работ в процессе сборки;
  • сокращаются сроки подготовки и перехода на изготовление новых деталей благодаря предварительной подготовке программ, более простой и универсальной технологической оснастке;
  • снижается продолжительность цикла изготовления деталей и уменьшается запас незавершенного производства.

Устройство управления (Лекция)

1. Принцип управления

2. Организация устройств управления

3. Устройство управления микропроцессора

4. Особенности программного и микропрограммного управления

1. Принцип управления


Принцип микропрограммного управления был предложен М. Уилксом в 1951 г и с того времени практически не претерпел никаких изменений. Согласно ему любое электронное устройство (начиная от самого современного микропроцессора и заканчивая электронными часами) может быть представлено в виде пары: устройство управления – операционное устройство, где на долю управляющего устройства приходится полный контроль работы операционного устройства (сюда входит анализ текущего состояния устройства, контроль параметров, принятие решений и т.д.). На долю операционного устройства приходится вся «грязная работа»: непосредственно осуществление полученных команд и преобразование контролируемых величин (в том числе и своего состояния) в удобный для управляющего устройства вид. Подводный камень кроется в описании поведения управляющего устройства, собственно именно это и представляет наибольшую сложность (и наибольшие затраты на разработку и реализацию), по сравнению с которой любое сколь угодно сложное контролируемое устройство бледнеет; и именно разработка простых и эффективных устройств управления пожалуй является основным направлением схемотехники.

2. Организация устройств управления

Что ж, перейдем непосредственно к рассмотрению самих методов организации устройств управления. Самым старым, но как ни странно до сих пор актуальным, является организация управляющего устройства в виде конечного автомата, т.е. в виде устройства обладающего памятью, и результат работы которого зависит от его текущего состояния. Схематически пару управляющее устройство – операционное устройство можно представить следующим образом – рис. 5.1.

Рис.1. Пара управляющее устройство – операционное устройство

Как видно из рисунка, УУ (т.е. управляющее устройство) получает сигналы о текущем состоянии – вектор Х, и выдает управляющие сигналы – вектор У , переход из одного состояния в другое происходит по тактовым импульсам – Clock (т. е. схема является синхронной, что в общем-то необязательно). Операционный же автомат контролирует поведение чего-то, а может быть только себя с выдачей результатов работы, на основе полученных сигналов.

На текущий момент можно выделить три группы управляющих автоматов:

· автоматы с жесткой логикой, например Мили( Mealy ) и Мура ( Moor );

· автоматы с программируемой логикой (на сегодняшний день изжили себя как класс и могут рассматриваться лишь в историческом контексте): автоматы с принудительной адресацией, естественной адресацией и соответственно комбинированной;

· композиционные устройства управления – объединяют преимущества двух предыдущих типов устройств, однако они, на мой взгляд, так же уже не актуальны на сегодняшний день.

Пусть их применение не всегда целесообразно, однако можно с уверенностью сказать, что элемент управления выполненный в виде конечного автомата будет наиболее быстрым и наиболее экономичным (если, конечно не придется вводить для него новую микросхему) решением.

3. Устройство управления микропроцессора

Поговорим о других распространенных устройствах управления – микропроцессорах и микроконтроллерах, первые используются в стационарных решениях и там где требуется большая вычислительная мощность, вторые же используются в портативных маломощных (как по питанию так и по вычислительной мощности) решениях; причем последние обладают дополнительным специфическим набором функций (в зависимости от специализации). Типичную структурную схему устройства использующего вышеназванное решение можно увидеть на рис. 2.

Рис. 2. Типичная схема микропроцессорного устройства

Где ЦП – собственно процессорный элемент; ША, ШД, ШУ – шины адреса, данных, управления соответственно; ОЗУ – текущая память (обычно используется для хранения результатов работы); ПЗУ – обычно содержит набор команд определяющих работу ЦП; В/В 1 … В /В N – устройства вода вывода. При чем для микроконтроллера, эта схема будет несколько отличаться: так например память находится на одном кристалле с ЦП (а так же все прочие непоказанные устройства – контроллер памяти, портов ввода/вывода, прерываний и т.д.) устройства подключенные к портам ввода/вывода не могут самостоятельно управлять шиной и т.п.

Собственно программирование поведения микропроцессора (в дальнейшем МП)/микроконтроллера (в дальнейшем МК) выполняется записью необходимой информации в ПЗУ со стартового адреса. Собственно в этом и заключается еще одно отличие МК и МП – поведение МК практически полностью определяется содержимым его ПЗУ (в большинстве своем они в состоянии выполнять команды только из адресного пространства ПЗУ); МП же могут изменять свое поведение загружая различные программы в ОЗУ, что делает их более гибкими. Однако это нельзя поставить в недостаток МК, т.к. они по определению являются компактными устройствами и не могут иметь большой объем памяти. МК и МП выпускаются в большом количестве и разнообразии для всевозможных задач, что делает возможным подобрать устройство наиболее подходящее по параметрам и соответственно облегчить жизнь разработчику.

К положительным сторонам МК и МП можно отнести сравнительную простоту разработки решений на их базе – наличие большого числа стандартных схем сопровождения, простоту программирования, наличия специализированных программных продуктов для них, стандартность большинства решений (для проектирования большого числа проектов управляющая часть не понесет никаких изменений). К недостаткам можно отнести то, что даже при разработке минимальной схемы необходимо будет весь необходимый минимум микросхем – сателлит (различные контроллеры и т.д.).

Еще одна система управления появившаяся сравнительно недавно – управление с помощью ЭВМ.

Коды операции команд программы, воспринимаемые управляющей частью микропроцессора, расшифрованные и преобразованные в ней, дают информацию о том, какие операции надо выполнить, где в памяти расположены данные, куда надо направить результат и где расположена следующая за выполняемой команда.

Управляющее устройство имеет достаточно сре дств дл я того, чтобы после восприятия и интерпретации информации, получаемой в команде, обеспечить переключение (срабатывание) всех требуемых функциональных частей машины, а также для того, чтобы подвести к ним данные и воспринять полученные результаты. Именно срабатывание, т. е. изменение состояния двоичных логических элементов на противоположное, позволяет посредством коммутации вентилей выполнять элементарные логические и арифметические действия, а также передавать требуемые операнды в функциональные части микроЭВМ.

Устройство управления в строгой последовательности в рамках тактовых и цикловых временных интервалов работы микропроцессора (такт — минимальный рабочий интервал, в течение которого совершается одно элементарное действие; цикл — интервал времени, в течение которого выполняется одна машинная операция) осуществляет: выборку команды; интерпретацию ее с целью анализа формата, служебных признаков и вычисления адреса операнда (операндов); установление номенклатуры и временной последовательности всех функциональных управляющих сигналов; генерацию управляющих импульсов и передачу их на управляющие шины функциональных частей микроЭВМ и вентили между ними; анализ результата операции и изменение своего состояния так, чтобы определить месторасположение (адрес) следующей команды.

4. Особенности программного и микропрограммного управления

В микропроцессорах используют два метода выработки совокупности функциональных управляющих сигналов: программный и микропрограммный.

Выполнение операций в машине сводится к элементарным преобразованиям информации (передача информации между узлами в блоках, сдвиг информации в узлах, логические поразрядные операции, проверка условий и т.д.) в логических элементах, узлах и блоках под воздействием функциональных управляющих сигналов блоков (устройств) управления. Элементарные преобразования, неразложимые на более простые, выполняются в течение одного такта сигналов синхронизации и называются микрооперациями.

В аппаратных (схемных) устройствах управления каждой операции соответствует свой набор логических схем, вырабатывающих определенные функциональные сигналы для выполнения микроопераций в определенные моменты времени. При этом способе построения устройства управления реализация микроопераций достигается за счет однажды соединенных между собой логических схем, поэтому ЭВМ с аппаратным устройством управления называют ЭВМ с жесткой логикой управления. Это понятие относится к фиксации системы команд в структуре связей ЭВМ и означает практическую невозможность каких-либо изменений в системе команд ЭВМ после ее изготовления.

При микропрограммной реализации устройства управления в состав последнего вводится ЗУ, каждый разряд выходного кода которого определяет появление определенного функционального сигнала управления. Поэтому каждой микрооперации ставится в соответствие свой информационный код — микрокоманда. Набор микрокоманд и последовательность их реализации обеспечивают выполнение любой сложной операции. Набор микроопераций называют микропрограммами. Способ управления операциями путем последовательного считывания и интерпретации микрокоманд из ЗУ (наиболее часто в виде микропрограммного ЗУ используют быстродействующие программируемые логические матрицы), а также использования кодов микрокоманд для генерации функциональных управляющих сигналов называют микропрограммным, а микроЭВМ с таким способом управления — микропрограммными или с хранимой (гибкой) логикой управления.

К микропрограммам предъявляют требования функциональной полноты и минимальности. Первое требование необходимо для обеспечения возможности разработки микропрограмм любых машинных операций, а второе связано с желанием уменьшить объем используемого оборудования. Учет фактора быстродействия ведет к расширению микропрограмм, поскольку усложнение последних позволяет сократить время выполнения команд программы.

Преобразование информации выполняется в универсальном арифметико-логическом блоке микропроцессора. Он обычно строится на основе комбинационных логических схем.

Для ускорения выполнения определенных операций вводятся дополнительно специальные операционные узлы (например, циклические сдвигатели ). Кроме того, в состав микропроцессорного комплекта (МПК) БИС вводятся специализированные оперативные блоки арифметических расширителей.

Операционные возможности микропроцессора можно расширить за счет увеличения числа регистров. Если в регистровом буфере закрепление функций регистров отсутствует, то их можно использовать как для хранения данных, так и для хранения адресов. Подобные регистры микропроцессора называются регистрами общего назначения (РОН). По мере развития технологии реально осуществлено изготовление в микропроцессоре 16, 32 и более регистров.

В целом же, принцип микропрограммного управления (ПМУ) включает следующие позиции:
1) любая операция, реализуемая устройством, является последовательностью элементарных действий — микроопераций;

2) для управления порядком следования микроопераций используются логические условия;
3) процесс выполнения операций в устройстве описывается в форме алгоритма, представляемого в терминах микроопераций и логических условий, называемого микропрограммой;
4) микропрограмма используется как форма представления функции устройства, на основе которой определяются структура и порядок функционирования устройства во времени.

ПМУ обеспечивает гибкость микропроцессорной системы и позволяет осуществлять проблемную ориентацию микр о- и миниЭВМ .

Системы числового программного управления

Машиностроение является основой успешного развития всех отраслей народного хозяйства. Эффективность машиностроительного производства и качество выпускаемой продукции в значительной степени определяются уровнем его автоматизации. Главное направление в автоматизации машиностроительного производства в настоящее время основывается на широком внедрении цифровых вычислительных устройств и машин.

Для управления универсальными станками и другим технологическим оборудованием применяются системы числового программного управления (СЧПУ).

СЧПУ управляют перемещением рабочих органов станков и оборудования, их скоростью при формообразовании деталей, установочными перемещениями, а также последовательностью режимов обработки и вспомогательными функциями.

Управляющие программы СЧПУ содержат два вида информации, необходимой для автоматической работы станков (оборудования): геометрическую и технологическую. Геометрическая информация включает в себя данные о форме, размерах элементов детали и инструмента, а также об их взаимном положении в пространстве.

Технологическая информация представляет собой указания о последовательности ввода в работу инструментов, изменении режимов резания, смене инструментов, включении подачи охлаждающей жидкости и т. п.

Технологическая информация используется для управления и в других программных устройствах, например в системах циклового программного управления (СЦПУ). Геометрическая информация в СЦПУ реализуется переналаживаемыми упорами, размещенными непосредственно на станке (оборудовании). Преимущества СЦПУ в их большой универсальности, возможности быстрой переналадки, корректировки программы и включения в более сложные комплексные системы автоматизированного производства. СЧПУ относятся к сложным многоконтурным САУ, так как одновременно управляют несколькими независимыми или связанными параметрами объекта (координатами). Соответственно в структуре СЧПУ имеется несколько контуров (каналов) управления. Так, например, в металлорежущих станках СЧПУ управляет одновременно главным движением формообразования, движением подачи и вспомогательными движениями: транспортировки, закрепления, отвода и подвода, смены инструмента и т.д.

СЧПУ классифицируются по следующим признакам: структуре и принципу (алгоритму) управления, назначению, виду привода, характеру движения привода, способу задания программы.

Каждый электрик должен знать:  Требования к цветовой температуре светодиодных ламп

По структуре СЧПУ делятся на разомкнутые, замкнутые и комбинированные.

Принцип управления разомкнутых СЧПУ основан на использовании только задающего воздействия, заложенного в управляющую программу (принцип жесткого управления). В замкнутых СЧПУ помимо задающего воздействия — управляющей программы используется информация о действительных значениях управляемых параметров, т.е. принцип управления по отклонению управляемого параметра (гибкое управление).

В комбинированных СЧПУ управление основными параметрами (главным движением и движением подачи) осуществляется замкнутыми контурами управления, работающими по принципу отклонения, а управление вспомогательными параметрами (закреплением заготовок, подводом инструмента, сменой инструмента, включением охлаждающей жидкости и т.д.) может осуществляться разомкнутыми контурами управления.

В адаптивных СЧПУ существуют дополнительные датчики информации о параметрах процесса обработки: силе резания, температуре, износе инструмента и т.д. Эта информация используется в СЧПУ для корректировки технологических параметров, заданных управляющей программой, в зависимости от изменения припуска на обработку, твердости и жесткости заготовок, состояния инструмента и т.д.

В зависимости от назначения оборудования, оснащенного устройствами ЧПУ, системы управления делятся на позиционные, контурные и универсальные.

В позиционных системах управления программируются координаты (х, у) отдельных дискретных точек (рис. 13.4, а), определяющих положение (позицию) инструмента или заготовки. Такие системы применяются для управления сверлильными и расточными станками.

Разновидностью позиционных систем управления являются прямоугольные системы, управляющие перемещением вдоль отрезков (обозначенных на рис. 13.4, б цифрами 7. б), параллельных направляющим станка. Прямоугольные системы предназначены для последовательного управления одной из двух взаимно-перпендикулярных координат. Такие системы применяются на токарных

Рис. 13.4. К определению вида управления в СЧПУ:

а — позиционное; б — прямоугольное; в — контурное

станках для управления обработкой деталей типа ступенчатых валиков, а на фрезерных — деталей с прямоугольным контуром.

В контурных СЧПУ осуществляется одновременное взаимосвязанное управление по нескольким координатам вдоль отрезков и участков кривых, на рис. 13.4, в обозначенных 1. 6 и r1, r2, для получения деталей со сложным профилем. Такие системы применяются для управления токарными, фрезерными, электроэрозионными станками, а также сварочными машинами.

В многооперационных станках, предназначенных для обработки одновременно несколькими инструментами сложных деталей (типа корпуса), применяются универсальные (позиционно-контурные) системы управления.

В зависимости от числа одновременно управляемых координат различают СЧПУ с управлением по одной, двум, трем, четырем, пяти и более координатам.

В зависимости от вида энергии, используемой в двигателях приводных устройств, различают СЧПУ с электроприводом, электрогидравлическим и электропневматическим приводами.

В СЧПУ в основном применяются различные следящие приводы, построенные по принципу замкнутых (следящих) систем автоматического управления. Реже применяются приводы разомкнутого типа с использованием только шаговых двигателей, допускающих непосредственное программное управление как значением перемещения, так и его скоростью.

В устройствах со следящим приводом могут использоваться двигатели постоянного и переменного тока, а также шаговые гидравлические и пневматические двигатели. Частота вращения двигателей в следящем приводе должна изменяться в широком диапазоне (в 1000 и более раз).

В приводах используются датчики перемещения, создающие сигнал обратной связи, который направляется в устройство ЧПУ, где сравнивается с сигналом задающего воздействия, получаемым от управляющей программы. В качестве датчиков перемещения в аналоговых устройствах следящего привода СЧПУ используются сельсины, вращающиеся трансформаторы, индуктосины, многооборотные потенциометры. Кроме того, в аналоговых устройствах следящего привода СЧПУ применяются преобразователи перемещения в код различного типа.

В зависимости от структуры устройства ЧПУ все системы делятся на два основных вида: построенные по принципу цифровой модели и построенные по структуре ЭВМ.

В системах, где устройство ЧПУ построено по принципу цифровой модели, все операции выполняются соответствующими специализированными электронными блоками со строго определенными функциями, причем связи между этими блоками неизменны. Принцип построения устройства ЧПУ на основе использования блоков — агрегатов с четко выраженными функциями называется агрегатным. Функционирует такое устройство управления по неизменному алгоритму, при этом все блоки работают параллельно, выполняя закрепленные за ними операции по преобразованию информации.

В системах, где устройство ЧПУ (УЧПУ) построено по структуре ЭВМ, блоки имеют универсальный характер и связи между ними могут изменяться в соответствии с заданной программой. Операции управления в этом случае выполняются последовательно с помощью центрального арифметического устройства. В составе УЧПУ имеются запоминающие устройства: оперативное (ОЗУ) и постоянное (ПЗУ).

Функционирование ОЗУ и ПЗУ осуществляется по алгоритму переработки информации, поступающему в виде управляющей программы, т.е. для этих устройств требуется специальное математическое обеспечение. Причем математическое обеспечение может храниться в ПЗУ, если не требуется частая смена алгоритмов работы, или вводиться через устройство ввода как часть управляющей программы. Такое построение позволяет легко корректировать алгоритм работы устройства ЧПУ и совершенствовать его по мере накопления статистической информации о качестве изготовленных деталей.

Перспективным является создание устройств ЧПУ на основе использования одного или нескольких микропроцессоров, построенных на больших интегральных схемах (БИС), т.е. использование агрегатного принципа построения ЧПУ на базе микропроцессоров, запрограммированных на конкретные задачи. Можно построить устройство ЧПУ и на базе микроЭВМ, дополнив его микропроцессором или контроллерами — программируемыми логическими устройствами для переработки информации. В дальнейшем по мере совершенствования элементной базы рациональным может стать построение ЧПУ на базе мини-ЭВМ. Это расширит функциональные возможности СЧПУ и облегчит включение их в более сложные комплексные системы автоматизированного производства: автоматические линии, участки, цеха, системы гибкого автоматизированного производства. Обобщенная функциональная схема СЧПУ токарного станка, построенная по принципу разомкнутой системы, показана на рис. 13.5. Здесь исполнительные двигатели главного движения (М1), движения подач (М2, МЗ), вспомогательного движения — поворота и подачи револьверной головки с инструментами (М4, М5) получают управляющие сигналы от блока управления приводами (БУП).

Устройство ввода-вывода (УВВ) воспринимает управляющую программу от центральной ЭВМ (при групповом управлении, когда СЧПУ работает в составе гибкой производственной системы) или считывает ее с перфоленты (при автономном управлении). При этом управляющая программа, промежуточные результаты вычислений, необходимые константы хранятся в запоминающем устройстве (ЗУ) и по мере надобности используются вычислительным устройством (ВУ) для выработки управляющих воздействий на БУП. Последний содержит электронные блоки управления шаговыми двигателями или усилители сигналов рассогласования (в устройствах следящего привода), тиристорные преобразователи для управления скоростью главного движения (в данной схеме — скоростью вращения шпинделя) и т.д.

Панель управления (ПУ) имеет кнопки и клавиатуру для контроля отдельных блоков или ручного управления приводом, а также для полного или частичного (при настройке) ручного ввода управляющей программы в ЗУ и обработки по ней первой детали с последующей редакцией программы (в УЧПУ с непосредственным вводом программы). Панель управления позволяет вывести

на индикацию (на дисплей) любой кадр программы или другую информацию, перерабатываемую системой, и сигнализировать о появлении сбоев в работе.

В позиционных УЧПУ, работающих по жесткому алгоритму, ВУ может отсутствовать. В контурных УЧПУ, построенных по принципу цифровой модели, в качестве ВУ используется интерполятор, представляющий собой специализированный блок-агрегат, который управляет скоростью обработки одновременно по двум координатам. Интерполяторы могут быть линейные, круговые, параболические.

Линейные интерполяторы используют, если контур обрабатываемой детали можно представить в виде отрезков прямых, расположенных под любыми углами к осям координат. Криволинейные участки аппроксимируются в этом случае отрезками прямых. Линейно-круговые интерполяторы применяются при обработке деталей со сложным контуром, составленным из различных дуг окружностей и отрезков прямых. Дуга окружности в таких интерполяторах задается одним кадром программы, а общий криволинейный контур аппроксимируется несколькими прямыми и дугами окружностей разного радиуса. Параболические интерполяторы применяют при обработке очень сложных деталей (лопаток гребных винтов, турбин и т.д.).

В УЧПУ, построенных по принципу структуры ЭВМ, в качестве ВУ используются микропроцессоры, а также микро- и мини-ЭВМ. УЧПУ на базе мини-ЭВМ наиболее перспективны при создании сложных комплексных систем автоматического производства, например технологических модулей, автоматических линий, участков, цехов и гибких производственных систем.

Технологический модуль — это автоматизированный многооперационный станок и автоматический манипулятор, объединенные общей САУ.

Технологический комплекс — это автоматический производственный комплекс, состоящий из группы станков с ЧПУ, автоматического манипулятора, транспортных и накопительных устройств, объединенных общей САУ, работающей от центральной ЭВМ, и обеспечивающих полную или частичную обработку определенного типа деталей.

Автоматическая линия — это комплекс автоматизированных рабочих машин, расположенных в последовательности выполнения технологических операций, связанных средствами транспортировки и вспомогательным оборудованием, объединенных общей САУ, работающей от центральной ЭВМ, и обеспечивающих полный цикл обработки детали или группы однотипных деталей.

Автоматизированный участок — это комплекс из нескольких автоматизированных станков или модулей, объединенных с помощью транспортной системы, и манипуляторов, вспо-

могательных устройств, единой системы группового управления от центральной ЭВМ, обеспечивающих комплексную обработку однотипных деталей с разной последовательностью операций.

Гибкие производственные системы (ГПС) предназначены для автоматизированного проектирования и изготовления новых изделий в условиях мелкосерийного многономенклатурного производства.

Перевод ГПС на выпуск новых изделий обеспечивается программными средствами без перестройки оборудования ручным способом. ГПС объединяет несколько комплексов, в каждом из которых для управления используется локальная ЭВМ. Для общего управления комплексом ГПС используется мощная главная ЭВМ, а вся структура управления основана на иерархическом принципе.

На рис. 13.6 показана структурная схема управления ГПС, в которую входят следующие подсистемы:

САПР конструкции — система автоматического проектирования конструкций новых изделий, состоящая из автоматических рабочих мест конструктора (АРМ-К);

САПР технологии — система автоматического проектирования технологических процессов изготовления новых изделий, состоящая из автоматических рабочих мест технолога (АРМ-Т);

система ОКП — система оперативно-календарного планирования, связанная через ЭВМ с автоматической системой управления производством (АСУП);

САП — система автоматической подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ и автоматических манипуляторов;

САК — система автоматического контроля и диагностики, контролирующая работу всех систем, входящих в ГПС, а также фиксирующая и классифицирующая неисправности во всех подсистемах.

Кроме того, в систему автоматизированного производства входят подсистемы 7. 7, показанные на рис. 13.6.

Класс ЭВМ, используемых в каждой системе и подсистеме, зависит от сложности выполняемых задач. В целом управление ГПС представляет собой комплекс ЭВМ, связанный с АСУП.

Промышленные роботы

Роботом называется автоматическая машина, выполняющая физическую работу вместо человека. Область применения роботов весьма обширна. Исследование космоса и глубин мирового океана, сельское хозяйство, транспорт и промышленное производство, строительство — везде существует настоятельная необходимость в подобных автоматах. Роботы могут заменить человека при работе в опасных для жизни и здоровья условиях, освободить его от монотонных, утомительных, неприятных работ. Наибольшее развитие в настоящее время получили промышленные роботы, являющиеся важнейшей составляющей комплексной автоматизации производственных процессов. От традиционных средств автоматизации промышленные роботы отличаются универсальностью воспроизводимых движений и возможностью быстрой их переналадки на новые операции, а также возможностью объединения в комплексы вместе с технологическим оборудованием.

Роботы в основном применяются в машиностроении для замены рабочих, занятых обслуживанием металлорежущих станков, прессов, печей и другого технологического оборудования, а также для выполнения таких основных технологических операций, как сварка, простейшая сборка, транспортировка и т.д. Применение промышленных роботов позволяет не только комплексно автоматизировать работу отдельных станков, но и перейти к автоматизации отдельных участков, например механической обработки, штамповки, точечной сварки, путем создания робототехнических комплексов. Такие комплексы являются обязательной составной частью ГПС — систем высшего (достижимого для современной техники) уровня автоматизации производства.

Основная задача, выполняемая промышленными роботами, — манипуляционные действия в производственном процессе.

Манипуляционные действия — это перемещение и ориентирование в пространстве предметов (заготовок, готовых деталей) и орудий труда (инструментов). Исходя из основной задачи промышленного робота, его можно определить как совокупность механических рук — манипуляторов и управляющего устройства. В общем случае робот может иметь и средства передвижения.

Наиболее простые роботы, основная задача которых — выполнение определенных движений (манипуляций), заданных программой, называются автоматическими манипуляторами. В зависимости от сложности выполняемой работы различают автоматические роботы-манипуляторы трех видов — трех поколений.

Роботы-манипуляторы первого поколения работают по жесткой программе, а их взаимодействие с окружающей средой ограничено элементарными обратными связями. Роботы первого поколения могут быть очувствленными, т.е. иметь сенсорные датчики (в частности, датчики осязания — тактильные, позволяющие регулировать силу сжатия захвата). Среда, в которой действуют такие роботы, должна быть определенным образом организована. Это значит, что все предметы (заготовки и готовые детали, инструмент, элементы конструкции, станков, оборудования и т.д.) должны находиться в определенных местах и иметь определенную ориентацию в пространстве. Данное требование накладывает некоторые ограничения на применение роботов-манипуляторов первого поколения.

Роботы-манипуляторы второго поколения обладают элементами адаптации к окружающим условиям и способны решать более сложные задачи. Это очувствленные роботы, имеющие сенсорные датчики, которые позволяют им координировать движения по воспринимаемым сигналам о состоянии окружающей среды. В частности, это могут быть тактильные датчики, позволяющие менять развиваемое усилие, локационные датчики (световые, ультразвуковые, телевизионные, гамма-лучевые и т.п.), позволяющие изменять траекторию движения манипулятора при появлении препятствия, необходимости совмещения деталей, нечетко ориентированных в пространстве, и т.п.

Роботы-манипуляторы третьего поколения способны логически обрабатывать поступающую информацию, т.е. имеют искусственный интеллект. Эти роботы способны к обучению и адаптации, могут вести диалог с человеком-оператором, распознавать и анализировать сложные ситуации, формировать понятия и создавать модель окружающей среды, планировать поведение в виде программы действий (с учетом предыдущего опыта) и т.д. Осу работу по такому сложному алгоритму можно только с применением ЭВМ.

Основу парка в промышленности составляют в настоящее время роботы первого поколения как наиболее простые, надежные и экономичные.

На рис. 13.7 схематично показано устройство автоматического робота-манипулятора, а на рис. 13.8 приведена функциональная схема его управления. Конструктивно такой робот состоит из двух основных частей: исполнительной, включающей в себя манипулятор, или манипуляторы (М) и устройство передвижения (УП), и управляющей, т. е. устройства управления робота (УУ).

Манипулятор робота имеет горизонтальную руку 3, которая может перемещаться как в горизонтальном (по оси х), так и вертикальном (по оси т) направлениях относительно стойки 2. При этом стойка может поворачиваться на угол а вокруг вертикальной оси 2 относительно неподвижного основания 1. На конце руки закреплен механизм кисти 4, обеспечивающий дополнительно две степени свободы захвату 5: поворот вокруг продольной оси руки на угол р и поворот (качание) относительно перпендикулярной оси у на угол у. Для фиксирования детали захват 5 может автоматически закрываться (движение по стрелке А).

Рабочий орган манипулятора — захват может перемещаться в определенном пространстве, которое образует рабочую зону манипулятора. В зависимости от выбранной системы координат

(прямоугольная, цилиндрическая, сферическая, комбинированная) для осуществления переносного движения рабочего органа (движения собственно руки манипулятора) рабочая зона манипулятора может иметь вид параллелепипеда, цилиндра, шара и более сложных пространственных тел. Так как рука манипулятора, показанного на рис. 13.7, имеет одну вращательную и две поступательные степени свободы (подвижности): движение вдоль осей х и у и поворот вокруг оси 2, его рабочая зона имеет вид цилиндра. Движение кисти — поворот вокруг оси х и качание вокруг оси у являются ориентирующими. Автоматические роботы-манипуляторы могут иметь от трех до семи степеней подвижности, а устройство их рабочего органа зависит от назначения робота.

В роботах, выполняющих погрузочно-разгрузочные операции, транспортировку, смену инструмента, используют и различные виды захватов, обеспечивающие взятие, ориентирование и удержание объекта манипулирования. В роботах, выполняющих технологические операции, рабочим органом может быть пульверизатор, сварочная головка, гайковерт или другой инструмент.

Принципы действия и конструкции захватов весьма разнообразны, так как размеры, форма и физико-химические свойства объектов манипулирования могут изменяться в широких пределах. По способу захвата и удержания объекта манипулирования захватные устройства делятся на механические, вакуумные, электромагнитные и комбинированные.

Исполнительные устройства манипулятора приводятся в действие двигателями, число которых зависит от числа степеней его подвижности. Существуют манипуляторы, имеющие один двигатель на несколько степеней подвижности, снабженный муфтами для распределения движения. Вид двигателя привода зависит от назначения манипулятора и его параметров. В настоящее время примерно в равной степени используются пневматические, гидравлические и электрические двигатели.

Подвижные роботы могут иметь различные устройства передвижения — от давно известных устройств качения до шагающих механизмов (педипуляторов), разрабатываемых в последнее время.

Устройство управления роботом-манипулятором может выполняться в виде самостоятельного (конструктивно обособленного) блока или быть встроенным в корпус его исполнительной части. Обычно в состав устройства управления (см. рис. 13.8) входят: пульт управления (ПУ), позволяющий производить ввод и контроль задания; запоминающее устройство (ЗУ), хранящее программу работы; следящий привод механизмов манипулятора и устройства передвижения; усилители; преобразователи; источники питания; управляющие элементы (реле, контакторы, золотники, струйные трубки, распределители движения, электромагнитные клапаны и т.д.).

Число датчиков обратной связи в схеме управления (ДОС1, ДОС2) определяется числом степеней подвижности манипулятора и числом координат перемещения его исполнительного устройства. Используются они в следящем приводе для контроля перемещения рабочего органа манипулятора и в целом всего его исполнительного устройства (ИУ).

В качестве датчиков обратной связи по перемещению в роботах-манипуляторах применяют потенциометры, сельсины, вращающиеся трансформаторы, индуктосины, кодирующие преобразователи и т. п.

В очувствленных и адаптивных роботах могут быть сенсорные датчики для получения дополнительной информации о фактической обстановке в зоне действия их манипуляторов. В качестве сенсорных датчиков, входящих в систему очувствления, кроме тактильных и локационных в роботах-манипуляторах могут использоваться и любые другие датчики: температуры, давления, магнитного поля, цвета и т.д. Информация сенсорных датчиков вводится в вычислительное устройство (ВУ) для корректировки действия робота.

Манипулятор робота создает основное рабочее воздействие Ух на технологическое оборудование или объект манипулирования (заготовку, деталь, инструмент). Кроме того, на технологическое оборудование могут подаваться управляющие воздействия (U1, U2) и технологические команды У2 непосредственно от блока управления процессом (БУП) — на блокировку работы оборудования во время рабочих движений манипулятора, изменение режима работы оборудования и т.д. В свою очередь, от технологического оборудования или других роботов могут поступать информационные и управляющие воздействия на данный робот (условно от датчиков ДЗ).

В робототехнических комплексах и ГПС на робот могут поступать задающие воздействия G1 от управляющих устройств более высокого ранга (уровня).

Так, от главной ЭВМ, управляющей работой комплекса или ГПС, могут поступать новые рабочие программы, а также команды, корректирующие заданную программу или координирующие действие робота-манипулятора с действиями других роботов или с процессом работы технологического оборудования.

В автономном режиме задающее воздействие G2 создается программой, хранящейся в ЗУ. В режиме наладки или обучения задающее воздействие G3 создается оператором через ПУ. При этом вычислительное устройство робота может быть различного уровня (в роботах с цикловым программным управлением ВУ вообще отсутствует). Чем универсальнее робот и сложнее задачи, решаемые с его помощью, тем выше уровень ВУ: микропроцессор, микро- или мини-ЭВМ. В робототехнических комплексах и ГПС используются ЭВМ средней и большой мощности, а также комплексы из нескольких ЭВМ.

Промышленные роботы-манипуляторы классифицируются по ряду следующих основных признаков, входящих в условное обозначение их типа:

числу манипуляторов (1М, 2М, ЗМ, . );

числу степеней подвижности с учетом устройства передвижения (2; 3 и более);

типу рабочей зоны (плоская — Пл, поверхность — Пв, в форме параллелепипеда — Пр, шарообразная — Ш, комбинированная — ПрЦл, ЦлШ, ПрШ);

типу приводов манипулятора (пневматический — Пн, гидравлический — Г, электромеханический — Э, комбинированный — ГПн, ГЭ, ЭПн);

типу системы управления (цикловая — Ц, позиционная — П, контурная — К, очувствленный робот — О, с искусственным интеллектом — И);

классу точности (0; 1; 2; 3).

Например, робот-манипулятор с условным обозначением 1М4Цл-5ЭК1 имеет один манипулятор с четырьмя степенями подвижности, рабочую зону цилиндрической формы, грузоподъемность 5 кг, привод электромеханический, систему управления контурную, первый класс точности (погрешность воспроизведения траектории от 0,01 до 0,05 %). Часть информации, характеризующей робот, указывается словесно (наличие устройства передвижения, раздельный или общий привод по степеням подвижности, адаптивное или неадаптивное управление, тип исполнения — теплозащитное, взрывобезопасное, нормальное и т.п.).

Электронная библиотека

Каждый станок состоит из исполнительных устройств, которые, взаимодействуя, выполняют или способствуют выполнению той работы, для которой предназначен данный станок, а именно операции, заданной технологией обработки изделия.

По назначению, характеристикам и принципам работы, а значит и по управлению можно выделить следующие группы исполнительных устройств:

1) Формообразующие устройства. Рабочие органы станка связаны с формообразованием изделий и процессами позиционирования, т. е. передвигают заготовку (или инструмент) по программируемым координатам во время обработки или перед обработкой. Они образуют либо простые движения (вращательные или поступательные), либо при их совместной работе, сложные движения, как результат суммирования простых движений. К этой же группе частично относятся некоторые движения манипулирования, а именно те, которые обеспечивают поиск объекта при смене режущего инструмента или заготовки. Отличительным свойством данной группы является то, что траекторию и путь движения можно изменять в зависимости от вводимой программы.

2) Манипулирующие устройства. Эти устройства предназначены для выполнения постоянных команд, связанных с автоматическим циклом работы оборудования. Они изменяют режимы резания, направления и скорости перемещения механизмов станка, инструмента, управляют охлаждением, сменяют режущий инструмент или заготовку, закрепляют их, транспортируют и складируют и т. п. Такие устройства имеют чаще всего неизменяемую (стационарную) систему управления, однако момент ввода в действие и последовательность их работы могут быть различными. Цикл их работы определяется программой обработки.

3) Вспомогательные (исполнительные устройства). Эти устройства предназначены для обслуживания процесса обработки, например, обеспечивают автоматическую уборку отходов, смазывание станка, отсос тумана и пыли, работу гидро- и пневмо-системы станка и др. Обычно они имеют автономную систему управления.

Наиболее важными и сложными по своему управлению являются первая и частично вторая группы устройств. Характерным для них является управление траекторией движения, длиной пути и командами сложных циклов.

Под автоматическим циклом работы станка, отдельного исполнительного механизма станка (например, магазина инструментов или стола), участка станочных модулей или гибкого автоматизированного производства понимают программируемую последовательность движений основных органов станка, а также последовательность всех действий, необходимых для нормального функционирования оборудования при изготовлении единицы продукции.

Стандартный (постоянный) цикл связан с работой определенного инструмента и выбранной операцией обработки (например, сверление, нарезание резьбы метчиком и др.); обычно он является составной частью общего цикла работы оборудования. Цикл работы зависит от составленной заранее схемы взаимодействия управляющей аппаратуры.

Системы управления отдельными циклами можно разделить на две группы: системы нечислового и числового программного управления.

К первой группе относятся: а) системы путевого управления; б) кулачковые системы; в) системы управления от копиров.

а) Системы путевого управления (СПУ) применяют при автоматизации прямолинейных движений инструмента (пли другого органа) с постоянной скоростью. Длина пути задается здесь соответствующей расстановкой упоров на барабанах, линейках или на самом станке (его направляющих). Упоры могут выполнять функцию ограничителя перемещения (называются жесткими упорами). Для исключения поломок в цепи привода устанавливают звенья, реагирующие на превышение крутящего момента или давления (воздуха, жидкости). В качестве предохранительных звеньев в электромеханических системах применяют предохранительные муфты, а в гидравличе­ских и пневматических — предохранительные клапаны. Упоры могут быть также переключателями соответствующей аппаратуры управления приводов.

В расставленных определенным образом упорах заключена информация о размерах детали.

На рис. 2.3 приведена схема системы управления с такими переключателями. При достижении рабочим органом 1 заданного положения упоры 6 действуют либо на управляющие элементы 5 (на золотники, клапаны гидравлических, пневматических приводов или на кулачковую муфту электромеханического привода, разрывая кинематическую цепь), либо на переключающие устройства приводов через блок управления или непосредственно на них.

В данном примере упоры расставлены на барабане таким образом, чтобы обеспечить получение требуемого профиля заготовки (участки профиля I –V). На станках токарной, фрезерной, расточной, сверлильной групп упоры расставляются на продольных или поперечных направляющих станка.

В качестве переключаемых механизмов широко применяют электрические конечные выключатели и микропереключатели контактного и бесконтактного действия. Говоря о путевых системах, следует отметить следующее, Точность работы этих систем часто недостаточна. Только в наиболее совершенных системах, оснащенных устройствами для снижения скорости при подходе к упору, точность находится в пределах 0,01…0,06 мм, а в обычных — 0,1 мм и ниже. Учитывая, что жесткие упоры воспринимают ударные усилия, связанные с инерционностью движущихся масс, они подвержены интенсивному износу и разрушению, и указанная выше точность сравнительно быстро теряется. К тому же, системы с упорами имеют низкую мобильность, позволяют

автоматизировать лишь небольшое количество мерных перемещений и не пригодны для функционального управления. Достоинством этих систем является сравнительная конструктивная простота и невысокая стоимость.

б) Системы управления от кулачков. В кулачковых системах управления (рис. 2.4) в качестве программоносителя используются модели-аналоги обработки в виде заранее запрограммированных профилей кулачков 1.

Суммирование или синхронизация движений происходят за счет установки и закрепления кулачков на общем распределительном валу (РВ). При вращении этого вала движения от рабочих профилей кулачков барабанного и дискового типа через рычаг и толкатель 2 передаются на исполнительные устройства 3, осуществляющие сложное формообразование (в данном случае продольное движение заготовки и поперечное — резца).

Кулачковые системы, являющиеся простейшими по схеме автоматики контурными системами (со сложным движением), относят к незамкнутым системам управления механического типа из-за отсутствия активного потока информации о фактическом местонахождении исполнительных устройств (потока обратной связи).

За один оборот распределительного вала совершается полный цикл обработки. Изменяя профиль кулачков, можно получить любой закон изменения пути движения рабочих органов. Однако профиль должен учитывать как динамические свойства механизма передачи движения, так и возможное заклинивание толкателя (угол наклона профиля ограничивается углом трения толкателя и кулачка). Значительные силы трения в зоне контакта толкателя с кулачком, а также в опорах рычажного механизма, снижают к. п. д. механизма и приводят к его интенсивному износу. Учитываются также ограничения по скорости вращения кулачка. Кулачок обеспечивает строго дозированные прямое и возвратное перемещения, являясь одновременно программоносителем и тяговым механизмом (частью привода). Он осуществляет не только управление перемещением, но выполняет некоторые цикловые команды. Профилирование (программирование) кулачков ведут по заранее разработанным циклограммам обработки деталей.

В зависимости от типа применяемых кулачков различают системы: с цилиндрическими (рис. 2.5, а), плоскими (рис. 2.5, б), дисковыми (рис. 2.5, в) торцо­выми кулачками (рис. 2.4, г). Кулачки могут быть открытыми (рис. 2.5, в) и закрытыми (рис. 2.3, д).

Рис. 2.5. Системы с кулачками: а – с цилиндрическим; б – плоским; в – дисковым открытым; г – торцовым; д – дисковым закрытым

Дисковые кулачки применяют в небольших станках с малой массой суппорта, где нужны небольшие ходы, во избежание сильных ударов, происходящих при отводе рабочего органа. В станках большой мощности, для реализации значительных переме­щений рабочих органов, наиболее удобны цилиндрические кулачки.

Профиль у открытых кулачков сделать проще, но для замыкания механизма толкатель необходимо поджимать к кулачку пружиной или массой груза. Это снижает КПД и быстродействие механизма, поэтому открытые кулачки применяют в сравнительно тихоходных устройствах или при небольших передаваемых усилиях, где усилия перемещения невелики.

Благодаря жесткой связи между кулачком и толкателем в кулачковых системах воз-можно осуществление движения по любому закону. Закон движения выбирают в зависимости от требований технологического процесса либо величины инерционных сил.

Для рабочих ходов металлорежущих станков наиболее характерно равномерное дви­жение с постоянной скоростью. Этому закону соответствует на дисковом кулачке логарифмическая спираль, на торцевом кулачке — винтовая линия, на плоском прямолинейно движущемся кулачке — наклонная прямая. Логарифмическая спираль — единственная кривая, имеющая постоянный угол подъема, а, следовательно, обеспечивающая движение толкателя с постоянной скоростью. Однако изготовление кулачков с логарифмической кривой затруднительно, поэтому чаще применяют кулачки с архимедовой спиралью.

Основной недостаток всех кулачковых механизмов заключается в кулачках; в их интенсивном износе и потере точности, которые возникают в связи с совмещением функций силового механизма и функций управления; в трудности изготовления и корректирования профиля кулачков. К тому же кулачковые механизмы обеспечивают сравнительно небольшие ходы перемещения (до 200…300 мм).

в) Системы управления по копирам (или копировальные системы) применяют для автоматического управления скоростью и перемещением рабочего органа, находящегося длительное время в работе. В этих системах управления задающую информацию несет копир. Системы получили распространение в металлорежущем оборудовании для обработки ступенчатых и фасонных поверхностей. В копировальных системах управления задающая информация зафиксирована в профиле копира (рис. 2.6). Копир можно рассматривать как кулачок, развернутый на плоскость.

Рассмотрим принцип работы такой системы. Вместо распределительного вала применен крестовый суппорт, обеспечивающий синхронизацию ведущего движения (Sвед) от гидроцилиндра 1 (при движении продольной каретки 2) со следящим движением (Sсл) щупа 3, получаемым от копира 4 (движение поперечной каретки 5). Резец 6 совершает одновременное (суммарное) движение в продольном и поперечном направлениях. В этой системе программоносителем является профиль копира, а траектории простых движений резца определяются направляющими сyппортa (внутренним источником информации станка). В копировальных системах управления отсутствует активный поток информации о фактическом положении исполнительного устройства (обратная связь), поэтому их относят к системам управления разомкнутого типа.

Общими недостатками всех копировальных систем управления являются: необ-ходимость точно изготовлять и устанавливать копир; трудность автоматизации изготовления копира; невозможность автоматизации установки копира; невысокая точность за­дания закона движения профилем копира; недостаточная мобильность. Область применения копировальных систем — среднесерийное и крупносерийное производ-ство.

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Командоаппарат

КОМАНДОАППАРАТ, неавтоматический электрический аппарат для различного рода переключений электрических цепей в системах управления объектами или технологическими процессами. Используется для одно- или многоступенчатых переключений в цепях управления электрических устройств постоянного и переменного тока напряжением до 1000 В. Основные параметры командоаппарата: число каналов на входе и выходе, скорость переключения, закон (последовательность) переключения. Необходимым условием работы командоаппарата является скачкообразность перехода из одного устойчивого состояния в другое. Обычно командоаппарат — контактное электромеханическое устройство, в котором один элемент проводника перемещается относительно другого, производя замыкание или размыкание электрической цепи. Контактные командоаппараты можно разделить на следующие основные группы: кнопки управления, путевые и конечные выключатели, ключи управления, командоконтроллеры.

Кнопки управления замыкают или размыкают электрическую цепь при нажатии, создаваемом рукой человека; используются для управления осветительными приборами и электродвигателями малой мощности, реализации логических функций в схемах управления электроприводами, формирования команд в схемах сигнализации, управления лифтами и др.

Реклама

В технологических процессах для фиксации положения органов машин используют конечные и путевые выключатели, в которых нажатие на кнопку производится не человеком, а рабочим органом машины, например при достижении кабиной лифта заранее определённого положения в шахте.

Ключ управления (КУ) — аппарат низкого напряжения, предназначенный для управления коммутационной аппаратурой и для переключения различных цепей. Обычно КУ имеет поворотную рукоятку; предусматривается, например, возврат рукоятки в нейтральное положение после её отпускания и двухступенчатость операции замыкания цепи, что позволяет исключить ошибочные действия оператора. Рукоятка может выполнять роль ключа в замке и выниматься из переключателя после завершения операции коммутации для предотвращения несанкционированного управления. КУ широко используют в пультах управления электростанций и подстанций для формирования команд включения и отключения сильноточных низковольтных и высоковольтных аппаратов.

Командоконтроллер (КК) — коммутационный контактный электрический аппарат низкого напряжения с ручным управлением (контроллер), предназначенный для осуществления изменений схемы цепей присоединения электрического двигателя к цепи питания в процессе пуска последнего или для изменения режима его работы. Иногда КК называется сокращённо контроллер. Изменение положения внешнего органа управления (обычно рукоятки) передаётся непосредственно подвижному контакту, скользящему по неподвижным контактам, расположенным на едином плоском изоляционном основании (плоские КК) или на валу, на котором закреплены подвижные контактные элементы в виде секторов металлических колец (барабанные КК) или кулачки с вырезами (кулачковые КК). Плоские КК могут иметь большее число ступеней, чем барабанные и кулачковые, однако последние обладают большей коммутационной способностью и рассчитаны на большую частоту выполнения операций (переключений в час): барабанные — до 240, кулачковые — до 600. Главная область применения КК — ручное управление электродвигателями, например в транспортных и подъёмных устройствах.

Лит.: Лезнов С. Ю., Фаерман А. Л., Махлина Л. Н. Устройство и обслуживание вторичных цепей электроустановок. 2-е изд. М., 1986; Чунихин А. А. Электрические аппараты. Общий курс. 3-е изд. М., 1988.

Командоаппараты и программируемые устройства циклового управления

При проектировании любого исполнительного механизма или устройства встает вопрос об алгоритме управления, который влияет не только на качественные показатели системы, но и на выбор комплектующих для нее. Одним из аспектов выбора концепции алгоритма любой программируемой системы является выбор типа программного управления.

Дискретные цикловые системы

Простейшим типом программного управления являются дискретные цикловые системы. В цикловых системах происходит движение исполнительного механизма из одной точки в другую. Принципиальным моментом является то, что точки траектории цикловых систем определены механически. Как пример таких систем можно привести пневматические приводы. К примеру, шток в цилиндре пневмопривода движется из начального положения в конечное. Траектория движение привода, таким образом, задается двумя точками. При цикловом дискретном управлении при перемещении из одной точки в другую движение, в общем случае, состоит из участков разгона, движения с постоянной скоростью и торможении. Движение с постоянной скоростью может вообще отсутствовать при короткой траектории. В данном типе управления объект управляется дискретным сигналом. К примеру, в упомянутом уже пневмоприводе управление происходит подачей воздуха в полость цилиндра, приводящее к движению штока. Мы можем регулировать скорость движения, однако никаких промежуточных точек траектории мы не задаем.

Другой пример таких систем – приводы, основанные на соленоидах. Отметим, что такие приводы не всегда являются дискретными цикловыми, так как при введении обратной связи он может быть преобразован в позиционный. Однако в простейшем случае соленоид управляется по аналогии с пневмоприводом. Быстродействие таких исполнительных механизмов может быть очень высоким, ведь, как известно из теории автоматического управления, релейные системы (а здесь мы имеем именно релейную систему) обладают наивысшим быстродействием. Конечно, применение данного типа управления ограничено, в основном это простейшие операции. Например, шток пневмопривода перемещает детали по одной координате. В более сложном случае может использоваться совместная работа дискретных цикловых приводов в составе одного механизма. В этом случае система усложняется, но за счет простоты каждого отдельного привода это не приводит к появлению дополнительных сложностей, как в случае систем, рассмотренных выше. По большому счету, применение в составе исолнительного механизма нескольких цикловых приводов влияет на скорость работы системы, но не на точность и другие факторы.

Дискретные позиционные системы

Дискретные позиционные системы управления имеют определенное количество точек позиционирования. Процесс перемещения из отдельно взятой точки в другую аналогичен дискретным цифровым системам с участками разгона, движения и торможения, однако есть принципиальное отличие. В дискретных системах положение привода в крайних точках определяется механическими упорами, а в дискретных позиционных системах положение в каждой точке обеспечивается при помощи замкнутой обратной связи. То есть в каждой точке система управления должна отслеживать положение исполнительного механизма, а так же влияние возмущений и нагрузки. Это существенно усложняет создание таких систем, так как требуется обеспечить удержание исполнительного механизма, а так же качественный переходный процесс. По этой же причине такие приводы более чувствительны к возмущениям. Дискретные позиционные системы чаще всего строятся на основе электропривода. Таким образом, в дискретных позиционных системах движение происходит из точки в точку, при этом траектория движения из одной точки в другую в общем случае не важна. Обычно это движение по прямой.

Существуют так же системы дискретного позиционного управления без обратной связи. Примером таких систем может служить исполнительный механизм на основе шагового привода. Шаговый двигатель имеет определенное число шагов на оборот. Перемещение на один шаг вызывает поворот ротора из одного положения в другое. Однако, шаговый привод может применяться не только в системах дискретного позиционного управления, широкое применение они нашли и в системах непрерывного управления, когда позиции ротора шагового двигателя определяют не дискретные точки перемещения, а движение по определенной траектории. Системы без обратной связью дешевле и проще, однако, системы с обратной связью находят применение там, где требуется повышенная точность. Примером практического применения дискретного позиционного управления могут служить робототехнические системы для точечно сварки. Узел, подлежащий сварке, имеет определенное количество дискретных точек, в которых она должна быть произведена. Исполнительный механизм перемещается от одной точки к другой, при этом число точек позиционирования может быть достаточно большим.

Стоит так же отметить, что в отличие от дискретных цифровых систем, в позиционных системах значительно большее значение имеет взаимное влияние приводов, в случае, если в исполнительном механизме их несколько. Оно может повлиять не только на скорость, как в цикловых системах, но и на точность, а так же других показателях. При управлении позиционной системой обычно необходимо обеспечить два основных условия: максимальное быстродействие при перемещении из одной точки в другую, а так же устойчивость в самой точке. Для решения данной задачи существуют, к примеру, алгоритмы, при которых перемещение происходит при помощи релейного регулятора, а контроль в самой точке – при помощи непрерывного управления. При более простой задаче, когда требования к быстродействию не такие высокие, можно использовать и позиционной системой, в случае же низких требований к точности могут быть использованы варианты релейных систем. Есть и более сложные варианты управления электроприводом, выходящие за рамки нашего описания, но позволяющие получить более высокие результаты по быстродействию и точности.

Контурное управление

Непрерывное программное управление, называемое иначе контурным, является наиболее сложным. Принципиальным отличием от дискретной системы является то, что в общем случае исполнительный механизм проходит каждую точку траектории без остановки, то есть происходит непрерывное движение. Поэтому требования к точности таких систем гораздо выше, в том числе, в динамике. Вообще, динамика электропривода в данном случае оказывает очень большое влияние. Поэтому, если в позиционном механизме траектория задается в виде последовательности точек, и привод должен эту последовательность отработать, то есть пройти все эти точки, в непрерывных системах координаты траектории исполнительного механизма могут и не совпадать с теми координатами, которые необходимо задать приводу. Связано это с динамическим запаздыванием исполнительного механизма, которое приходится компенсировать различными способами. Способов этих много, как и подходов к решению данной задачи в целом. К примеру, применяются методы коррекции запаздывания, которые либо вычисляются, либо находятся экспериментально. Либо задача разбивается на две: отдельные приводы в составе исполнительного механизма делаются более быстродействующими, и динамическая коррекция происходит в самом приводе, при этом программирование исполнительного механизма в целом упрощается.

В основном, системы непрерывного управления, особенно работающие в динамическом режиме, используют электроприводы с обратной связью. Однако применение разомкнутых систем так же возможно. Как пример, можно привести очень широко распространенные станки с ЧПУ на основе шаговых двигателей. Конечно, для высокоскоростных систем работа без обратных связей не применяется, однако и сам шаговый двигатель, в силу своей тихоходной природы, затрудняет использование разомкнутых систем на высоких скоростях. На низких же скоростях шаговый привод обеспечивает хорошую динамику, и позволяет во многом уменьшить динамическое запаздывание. Траектория движения задается управляющей программой, при этом наилучшего результата можно добиться применением микрошагового режима работы. Применение шарико-винтовых передач так же способствует уменьшению дискретности электропривода и лучшей работе в контурном режиме, позволяя увеличить точность отработки траектории.

Системы циклового программного управления

Особенность систем циклового программного управления (ЦПУ) заключается в том, что одна часть программы управления – информация о цикле и режимах обработки – задается в условном виде с помощью каких-либо программоносителей. Другая часть – размерная информация, определяющая величины перемещений рабочих органов станка – устанавливается с помощью путевых упоров на специальных линейках или барабанах. Для каждой координаты устанавливают и настраивают свою линейку.

Рассмотрим структуру варианта системы ЦПУ для токарного станка (рис. 4.7,а).

Информация о цикле и режимах обработки задается блоками задания и поэтапного ввода программы. Блоком задания программы (программатором) может являться штекерная панель, устройство считывания с перфокарт, иные устройства, например, шаговый командоаппарат или кулачковый программатор (рис. 4.7,б).

Блок поэтапного ввода программы может выполняться в виде электронной или релейной счётно-распределительной схемы.

Узел управления усиливает информацию, размножает, адресует, при необходимости выдаёт команды на выполнение элементарных циклов.

Размерная информация задается упорами на линейках 1 и 4, закреплённых на продольных (ось Z) и поперечных (ось Х) салазках суппорта. При перемещении линеек упоры воздействуют на конечные выключатели блоков выключателей 2 и 3, обеспечивающих контроль окончания отработки каждого этапа и выдачу сигналов контроля.

В системах ЦПУ часто используются программируемые контроллеры (ПК) – электронные устройства программируемого бесконтактного логического управления, практически заменяющие все вышеупомянутые блоки, узел управления и релейные схемы включения приводов.

В ПК (рис. 4.7,в) можно выделить ряд блоков.

Блоки ввода ПК формируют сигналы, поступающие от различных периферийных устройств (путевых датчиков, электроаппаратов, тепловых реле и т.п.).

Блоки вывода подают сигналы на управляемые исполнительные устройства электроавтоматики станка (контакторы, электромагнитные муфты, сигнальные лампы и т.п.).

Процессор решает логические задачи управления блоками вывода на основе информации, поступающей на блоки ввода, и алгоритмов управления, содержащихся в блоке памяти.

ПК имеет также ряд устройств (на рисунке условно объединенных в блок управления), организующих взаимодействие его элементов.

Устройство программирования ПК может быть выполнено в виде переносной программной панели. Программу вводят нажатием клавиш, на которые наносятся обозначения контактов или логических элементов.

При программировании, например, системы управления, выполняющей функции релейно-контактной схемы, нажимают клавиши с обозначениями контактов, входящих в одну из цепей схемы. Цифровая индикация указывает номер проектируемой строки (цепи) электросхемы. Информация по строке накапливается в блоке памяти, затем передается в ПК.

Дата добавления: 2015-08-26 ; просмотров: 47 | Нарушение авторских прав

Добавить комментарий
Читайте также:

  1. II – 16. Требование замкнутости системы в законе сохранения импульса означает, что при взаимодействии тел
  2. II. Усложнение системы рыночных отношений и повышение требований к качеству процессов распределения продукции
  3. II. Усложнение системы рыночных отношений и повышение требований к качеству процессов распределения продукции
  4. III. Первоначальный вход в WEB — интерфейс конфигурирования и проверка программного обеспечения.
  5. III. Эволюция Британской системы маяков
  6. PR как функция управления коммуникациями
  7. V-1. Собственные колебания механической системы будут гармоническими, если возвращающая сила