Готшальк О.А. Системы автоматизации и управления. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДКРАЦИИ

О.А. ГОТШАЛЬК

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ

Конспект лекций

Санкт-Петербург

1998

Утверждено редакционно-издательским советом института

УДК 621. 9. 06 - 529 (07).

О.А. Готшальк. Системы автоматизации и управления. Конспект лекций. -С-

Пб. : СЗПИ, 1998, 35 с.

Конспект лекций включает материал, который читается в соответствии с ра-

бочими учебными планами по специальностям:

120100 по дисциплине “Аппаратные и программные средства систем управления”,

120500 и 120800 по дисциплине “Управление техническими системами”,

210200 по дисциплине “Системы автоматизации и управления” ч.1.

В конспекте лекций помещены теоретические основы числового программно-

го управления технологическим оборудованием на базе микропроцессорной техни-

ки. В конспекте лекций изложены вопросы общих принципов построения, структу-

ры, методов линейной и круговой интерполяции, а также правил кодирования ис-

ходной информации в коде ИСО-7 бит.

Рассмотрено на заседании кафедры автоматизации производственных процес-

сов одобрено методической комиссией факультета машиностроения

Рецензенты: кафедра автоматики и телемеханики ИТМО, В.О. Никифоров, к.

т. н., доцент; кафедра автоматизации производственных процессов СЗПИ.

Автор: Готшальк Олег Алексеевич, к. т. н., доцент.

Северо - Западный заочный политехнический институт, 1998.

1. ПРИНЦИПЫ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Под управлением металлорежущими станками будем понимать перемещение

заготовки относительно режущего инструмента или движение режущего инстру-

мента относительно заготовки по заранее рассчитанной траектории при заданной

скорости движения режущего инструмента и точности обработки.

Такое управление производится специальным устройством без участия чело-

века, но по заранее составленной им программе, и называется программным управ-

лением.

Программное управление станками прошло в своем развитии несколько эта-

пов.

Этап первый

(рис. 1).

На рисунке 1 сделаны следующие обозначения: подвижный стол 1, шаблон 2,

механические тяги со щупом 3, заготовка 4, режущий инструмент 5, силовой привод

6, привод подач 7. При перемещении стола приводом подач слева направо щуп пе-

ремещается по поверхности шаблона. Перемещение щупа повторяет режущий инст-

румент, что приводит к образованию формы детали подобной форме шаблона. Осо-

бенность рассматриваемого принципа программного управления: возможность об-

работки объемных поверхностей и задание управляющей программы в виде шабло-

на.

Достоинства: повышенная точность обработки и производительность труда.

Недостатки : сложность создания управляющей программы и наличие меха-

нических соединений.

Этап второй

(рис. 2).

На рисунке 2 сделаны следующие обозначения: датчик положения 3, выраба-

тывающий электрический сигнал пропорциональный величине перемещения щупа,

(цифры 1, 2, 4, 5, 6, 7 смотри на рисунке 1), электропривод 8 обеспечивает переме-

щение режущего инструмента в соответствии с величиной электрического сигнала

датчика положения, рейка с зубчатым колесом 9, преобразующая вместе с электро-

приводом электрический сигнал в вертикальное перемещение режущего инструмен-

та.

Особенность рассматриваемого принципа программного управления: замена

механических соединений электроприводом .

Достоинства: повышение точности обработки при снижении затрат на

изготовление станка. Недостатки: сложность создания управляющей программы.

Этап третий (рис. 3).

На рисунке 3 сделаны следующие обозначения: ленточный магнитофон 2 с

записью электрического сигнала аналогичного электрическому сигналу датчика по-

ложения, (цифры 1, 4, 5, 6, 7, 8, 9 смотри на рисунке 2 ).Особенность рассматри-

ваемого принципа программного управления: для создания управляющей програм-

мы необходимо иметь специальное оборудование, позволяющее записать на маг-

нитную ленту магнитофона сигнал на перемещение режущего инструмента.

Достоинства: нет необходимости изготавливать шаблон и отсутствие механических

соединений.

Недостатки: наличие магнитной ленты приводит к низкой точности работы

станка (разрывы и растяжения ленты).

Этап четвертый

(рис. 4 ).

На рисунке 4 сделаны следующие обозначения: устройство программного

управления 2 в виде специализированной вычислительной машины дискретного

действия, электропривод подач 3 для перемещения заготовки по оси У, электро-

привод подач 4 для перемещения заготовки по оси Х, заготовка 5, силовой привод

Особенность рассматриваемого принципа программного управления: про-

грамма управления задается на перфоленте в виде чисел; в программе задаются ко-

ординаты начальных и конечных точек участков детали с определенными характе-

рами обработки; устройство программного управления получив из управляю щей

программы координаты опорных точек и характер траектории между этими точка-

ми само вырабатывает промежуточные координаты, преобразует их в электриче-

ский сигнал и выводит его на приводы подач.

Достоинства: простота задания управляющей программы, высокая точность

обработки, быстрый переход от одной управляющей программы к другой.

Недостатки: сложность устройства управления, необходимость высокой ква-

лификации обслуживающего персонала.

2. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ УСТРОЙСТВ ЧПУ

Систе-

мы числового программного управления (СЧПУ) - это совокупность функцио-

нально взаимосвязанных технических и программных средств, предназначенных

для управления станками в автоматическом режиме. К техническим средствам от-

носятся станок, устройства подготовки управляющих программ, устройства управ-

ления станком, устройства размерной настройки режущего инструмента и т.д. К

программным средствам относятся инструкции, методики, техническое и функцио-

нальное программирование и т.д.

Программа управления - это группа команд, составленных на языке данной

системы управления и предназначенных для управления станком в автоматическом

режиме.

Числовое программное управление базируется на программе, в которой ко-

манды выражены в виде чисел.

Устройство числового программного управления (УЧПУ) - это часть системы

числового программного управления, управляющее работой станка по командам,

поступающим из управляющей программы.

УЧПУ выполняют две основные функции :

1. формирование траектории движения режущего инструмента;

2. управление автоматикой станка.

В настоящее время в промышленности используются два вида устройств

ЧПУ.

1. УЧПУ четвертого поколения типа NC

(Numerical Control - цифровое

управление).

УЧПУ типа NC состоят из блоков, каждый из которых решает лишь одну кон-

кретную задачу общей программы управления. Логика работы этих блоков реализу-

ется за счет соответствующего построения их электрических схем.

. На рисунке 5 представлена обобщенная структурная схема УЧПУ типа NC. На

этом рисунке сделаны следующие обозначения:

УП - управляющая программа, поступающая с перфоленты;

УВИ - устройство ввода информации; преобразует команды, заданные на перфолен-

те в виде отверстий, в электрические сигналы; контролирует вводимую информа-

цию на предмет наличия помех и соблюдение правил программирования;

БП - буферная память для временного хранения введенной информации одного кад-

ра управляющей программы;

И - интерполятор, формирующий траекторию движения режущего инструмента;

БЗС - блок задания скорости перемещения режущего инструмента;

БИ - блок индикации работы УЧПУ;

БР - блок реле для формирования команд управления автоматикой станка;

ПП - приводы подач станка;

УАС - устройства автоматики станка.

После того как составленная управляющая программа нанесена на перфолен-

ту, а перфолента установлена в устройство ввода информации (УВИ), происходит

считывание программы, проверка ее на предмет наличия помех и нарушений пра-

вил программирования. После этого информация в объеме одного кадра программы

в соответствии с заданными в программе адресами заносится в буферную память

(БП). После отработки предыдущего кадра программы информация из буферной

памяти поступает в различные блоки УЧПУ в соответствии с заданными адресами:

геометрическая информация на перемещение режущего инструмента в интерполя-

тор (И), информация о скорости движения режущего инструмента в блок задания

скорости (БЗС), а технологические команды в блок реле (БР). Интерполятор посы-

лает сигналы на приводы подач (ПП), которые обеспечивают перемещение режуще-

го инструмента по заданной в программе траектории. Одновременно на блок реле

(БР) подаются команды, обеспечивающие включение или выключение тех или иных

устройств автоматики станка (УАС).

2. УЧПУ пятого поколения типа CNC (Computer Numerical Control - компь-

ютерное цифровое управление).

УЧПУ типа CNC базируются на работе мини ЭВМ, в которой логика работы

задается программным методом. Одно и то же УЧПУ с мини ЭВМ может реализо-

вывать различные функции управления за счет изменения программы управления

работой мини ЭВМ.

Обобщенная структурная схема УЧПУ типа CNC представлена на рисунке 6.

На этом рисунке сделаны следующие обозначения:

ПО - пульт оператора, позволяющий вводить управляющую программу и задавать

режимы работы;

Д - дисплей для визуального контроля режимов работы и редактирования введен-

ных управляющих программ;

мини ЭВМ - устройство, решающее задачи формирования траектории движения

режущего инструмента, технологических команд управления устройствами автома-

тики станка, общим управлением УЧПУ, редактирования управляющих программ,

диагностики УЧПУ и вспомогательных расчетов (траектории движения режущего

инструмента, режимов резания);

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство для хранения системных программ и

констант; информация из ПЗУ может только считываться; заносится информация в

ПЗУ на заводе изготовителе;

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство для временного хранения управляю-

щих программы и системных программ, используемых УЧПУ в данный мо

мент.

После того как технолог составил управляющую программу оператор вводит

ее в УЧПУ посредством клавиатуры пульта оператора (ПО). Команды управляющей

программы записываются в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). После

ввода управляющей программы оператор может отредактировать ее, включив в ра-

боту системную программу редактора и выводя на дисплей (Д) всю или нужные

части управляющей программы и внося в них требуемые изменения. При работе

УЧПУ в режиме изготовления детали управляющая программа кадр за кадром счи-

тывается из оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и поступает в

мини ЭВМ. В соответствии с командами управляющей программы мини

ЭВМ вызывает из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) соответствующие

системные программы, которые заставляют работать мини ЭВМ в требуемом режи-

ме. Результаты работы мини ЭВМ в виде электрических сигналов поступают либо

на приводы подач (ПП), либо на устройства управления автоматикой станка (УАС).

3. СТРУКТУРА ПРИВОДА ПОДАЧ

В настоящее время в станках с программным управлением используются два

вида приводов подач.

1. Разомкнутый привод подач (

шаговый

В основу работы такого привода

положен шаговый электрический двигатель, который обеспечивает надежное и ста-

бильное перемещение режущего инструмента на строго определенную величину по

пришествии из УЧПУ на шаговый двигатель одного электрического импульса. Этим

объясняется отсутствие в приводе контроля за текущим действительным положени-

ем режущего инструмента (отрицательной обратной связи по положению).

Обобщенная структурная схема разомкнутого привода подач представлена на

рисунке 7. На этом рисунке сделаны следующие обозначения:

УЧПУ - устройство числового программного управления;

СУ - схема управления шаговым двигателем;

УМ - усилитель электрической мощности сигнала , поступающего на вход шагового

двигателя;

ШД - шаговый двигатель, у которого вал ротора поворачивается на строго опреде-

ленный угол по пришествии на вход двигателя одного электрического импульса;

СЗ - следящий золотник, обеспечивающий подачу на гидродвигатель жидкости под

давлением;

НС - насосная станция, обеспечивающая гидродвигатель жидкостью под давлением;

ГД - гидродвигатель для силового перемещения объекта управления станка (суп-

порта, подвижного стола);

ОУ - объект управления станка.

В результате расчета очередной координаты режущего инструмента УЧПУ

посылает в схему управления (СУ) электрический импульс для перемещения объек-

та управления станка (режущего инструмента) на строго определенную величину.

После сформирования в схеме управления (СУ) команды управления и усиления ее

по мощности в усилителе мощности (УМ) последняя подается на шаговый двига-

тель (ШД). В результате этого ротор шагового двигателя поворачивается на строго

определенный угол, открывая следящий золотник (СЗ). Жидкость под давлением из

насосной станции (НС) через следящий золотник (СЗ) поступает в гидродвигатель

(ГД), в результате чего объект управления (ОУ) начинает перемещаться одновре-

менно постепенно закрывая следящий золотник (СЗ). Переместившись на заданную

величину объект управления (ОУ) полностью закроет следящий золотник (СЗ) и

привод прекращает перемещение объекта управления (ОУ).

Фиксированная величина перемещения объекта управления станка (режущего

инструмента) в результате поступления на привод подач с УЧПУ одного электриче-

ского импульса называется дискретой.

Количество дискрет характеризует величину перемещения, а количество дис-

крет в единицу времени, пришедших на привод подач, характеризует скорость пе-

ремещения объекта управления.

2. Замкнутый привод подач (следящий). Основу замкнутого привода подач

составляет двигатель постоянного тока с широким диапазоном регулирования час-

тоты вращения вала ротора под нагрузкой. В данном приводе имеется устройство,

позволяющее постоянно контролировать текущее положение объекта управления и

сравнивать это положение с заданным устройством ЧПУ.

Обобщенная структурная схема представлена на рисунке 8. На этом рисунке

сделаны следующие обозначения:

УЧПУ - устройство числового программного управления;

СС - схема сравнения заданного перемещения режущего инструмента и действи-

тельного;

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь, преобразующий сигнал схемы сравне-

ния выраженный в дискретной форме в сигнал в виде напряжения, амплитуда кото-

рого пропорциональна цифровому значению сигнала схемы сравнения;

УМ - усилитель электрической мощности;

ИД - исполнительный двигатель постоянного тока;

Р - редуктор для понижения частоты вращения вала ротора исполнительного двига-

теля и преобразования вращения ротора исполнительного двигателя в линейное пе-

ремещение объекта управления;

ОУ - объект управления;

ДОС -датчик обратной связи для преобразования линейных перемещений объекта

управления в пропорциональный электрический сигнал.

Если на привод подач с УЧПУ поступает унитарный код (последовательность

электрических импульсов, каждый импульс которой характеризует перемещение

объекта управления на одну дискрету), то в качестве датчика обратной связи ис-

пользуется вращающийся трансформатор в импульсном режиме, а в качестве схемы

сравнения реверсивный счетчик. Импульсы поступающие с УЧПУ на счетчике сум-

мируются, а импульсы, поступающие с датчика обратной связи в счетчике вычита-

ются из импульсов поступивших из УЧПУ.

Если на привод подач с УЧПУ поступает сигнал в виде числовой комбинации

(числа, характеризующего величину перемещения), то в качестве датчика обратной

связи используется кодовый датчик, а в качестве схемы сравнения используется

сумматор, позволяющий производить операцию вычитания кодовой комбинации,

поступившей с датчика обратной связи, из кодовой комбинации, записанной ранее в

сумматор устройством ЧПУ.

Как и в случае разомкнутого привода подач в замкнутом приводе подач спра-

ведливо понятие дискреты.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И НАЗНАЧЕНИЕ ИНТЕРПОЛЯТОРА

Интерполятором называется устройство, формирующее траекторию движе-

ния режущего инструмента по заданному закону (с заданными скоростью и точно-

стью) между двумя опорными точками контура детали, координаты которых указа-

ны в управляющей программе. Часто под интерполятором подразумевают мини

ЭВМ, работающую по определенной программе.

Опорные точки характеризуют начало и конец траектории, по которой пере-

мещается режущий инструмент, обрабатывая один элемент контура заготовки дета-

ли с определенным характером траектории.

В подавляющем большинстве случаев в настоящее время используются ли-

нейные и круговые интерполяторы. Линейные интерполяторы обеспечивают фор-

мирование траектории в виде прямой линии. Круговые интерполяторы формируют

траекторию в виде окружности или ее части (дуги окружности).

Интерполяторы могут работать по методу оценочной функции или по методу

цифровых дифференциальных преобразователей. Рассмотрим принципы работы ин-

терполяторов, работающих по методу оценочной функции.

5. ЛИНЕЙНЫЙ ИНТЕРПОЛЯТОР

Предположим, что задано перемещение режущего инструмента между опор-

ными точками A

и A

плоскости ХУ (рис. 9). Каждая точка плоскости характери-

зуется коэффициентом

где Χ

- текущие координаты произвольно выбранной точки, выраженные в

дискретах, j и i - количество шагов, которое нужно было сделать по осям координат,

чтобы попасть в заданную точку. Точки, лежащие на прямой A

, характеризуют-

ся коэффициентом

где

- координаты конечной опорной точки заданной прямой.

В зависимости от знака разности коэффициентов

=−

(5.1)

плоскость ХУ делится на три области.

Первая область над прямой

, где H>0.

Вторая область под прямой AA

, где H<0.

Третья область на прямой AA

, где H=0.

Каждый интерполятор имеет свой алгоритм работы. Будем считать, что дан-

ный линейный интерполятор работает по следующему алгоритму.

1. Если Н

≥

0, то интерполятор вырабатывает и посылает на привод подач один

электрический импульс для перемещения режущего инструмента на одну дискрету

по оси Х.

2. Если Н<0, то интерполятор вырабатывает и посылает на привод подач один элек-

трический импульс для перемещения режущего инструмента на одну дискрету по

оси У.

3.После каждого очередного шага вновь рассчитывается новое значение оценочной

функции.

Так как режущий инструмент в рассматриваем случае перемещается по двум

координатам, то и УЧПУ должно иметь два привода подач.

Упростим выражение (5.1). Приведем его к общему знаменателю и использу-

ем только числитель, как носитель знака. Получим выражение оценочной функции

вида

jiikkj,

=⋅−⋅ΥΧΥΧ (5.2)

Произведем упрощение и выражения (5.2) в предположении, что интерполятор

имеет возможность запоминать по какой координате был сделан предыдущий шаг.

1. Предположим, что предыдущий шаг был сделан по оси Х. Тогда текущая коорди-

ната режущего инструмента будет равна предыдущей координате плюс одна дис-

крета

jj+

Подставим это выражение в формулу (5.2).

jiikkjikkjkjik+

⋅

−

⋅

−

⋅

−

()

Следователь-

но, после очередного шага по оси Х новое значение оценочной функции рассчиты-

вается как разность между предыдущим значением оценочной функции и координа-

той конечной опорной точки по оси У.

2. Предположим, что предыдущий шаг был сделан по оси У. Тогда текущая коорди-

ната режущего инструмента будет равна предыдущей координате плюс одна дис-

крета

ii+

Подставим это выражение в формулу (5.2).

jiikkj,

()

⋅

−

⋅

−

⋅

ikkjk

jik,

Следователь-

но, после очередного шага по оси У новое значение оценочной функции рассчиты-

вается как сумма предыдущего значения оценочной функции и координаты конеч-

ной опорной точки по оси Х.

Пример

. Рассчитать и построить траекторию движения режущего инструмен-

та при

5 и

1. В начальный момент времени (в точке A

) оценочная функция равна нулю и шаг

делается по оси Х. После шага производится расчет нового значения оценочной

функции.

k1000

033

−

2. Новое значение оценочной функции получилась меньше нуля. Очередной шаг

делается по оси У. После шага по оси У вновь рассчитывается новое значение оце-

ночной функции.

k1110

352

−

3. F

очередной шаг делается по оси Х; новое значение оценочной функции

k2111

231

−

21,

, очередной шаг делается по оси У; новое значение оценочной функции

k2221

154

−

5. F

22,

, очередной шаг делается по оси Х; новое значение оценочной функции

k3222

431

−

6. F

, очередной шаг делается по оси Х; новое значение оценочной функции

k4232

132

−

7. F

, очередной шаг делается по оси У; новое значение оценочной функции

k4342

253

−

8. F

, очередной шаг делается по оси Х; но

вое значение оценочной функции

k5343

330

−

Линейный интерполятор прекращает работу если он сделал по осям коорди-

нат столько шагов, сколько их было задано в задании (5 шагов по оси Х и 3 шага по

оси У).

На рисунке 10 показана действительная траектория движения режущего инст-

румента, обозначенная точками 0-8. Как видно из рисунка, траектория является ло-

манной кривой, каждая ступенька которой равна одной дискрете. Особенностью