Конструкция позиционных УЧПУ

1. Общая структура позиционного УЧПУ, функциональное назначение устройств и узлов, входящих в него

Позиционные УЧПУ объединяют большую группу устройств, предназначенных для управления установочными перемещениями рабочих органов в объекте управления, как правило, с высокой точностью. Ввиду многообразия объектов управления с решением аналогичных задач управления позиционные УЧПУ строят по агрегатному принципу, что позволяет на единой функциональной, схемной, конструктивной основе выпускать различные УЧПУ с заданным набором функций, необходимых для управления конкретным объектом, причем исключая или модифицируя некоторые узлы и их функции. Это дает возможность более полно использовать заложенные функциональные возможности в УЧПУ и исключить узлы, функции которых при управлении данным объектом не используются (борьба с избыточностью аппаратной структуры).

В позиционных УЧПУ предусматриваются следующие модификационные различия: разновидности измерительных систем и вид интерфейса, обслуживающего их, способы ввода УП, способы ввода и вид коррекции и ее адресация при вводе, типы применяемых приводов, объем и наличие постоянной оперативной памяти и т. д.

На рисунке представлена структурная схема типового позиционного УЧПУ. Это устройство включает в себя следующие узлы: фотосчитывающее устройство (ФСУ), предназначенное для ввода управляющей программы с перфоленты; пульт ввода (ПВ), который предназначен для ввода УП с помощью клавиатуры, а также для назначения режимов работы, подачи разовых команд и индикации контроля состояния устройства; узел ввода (УВв), который обеспечивает выбор режима ввода, режим управления станком и устройством, вызов автоматических циклов по специальной команде G80 с встраиванием в циклы фактических параметров, управление лентопротяжным механизмом в старт-стопном режиме во время отработки УП и управление перемоткой ленты в начало программы, расшифровку адресов команд, временное хранение их содержимого и ввод в соответствующие регистры памяти содержимого команд по расшифрованному адресу. Кроме того, данное устройство управляет лентопротяжным механизмом во время поиска N кадра, заданного на переключателе (N_п).

Пульт коррекции (ПК) предназначен для набора и хранения коррекции по предусмотренным адресам. Узел коррекции (УК) обеспечивает последовательное считывание цифровой информации, установленной на переключателях, ввод считываемой информации с нормализацией по запросам в управляющую программу в соответствующие адреса (адреса инструментов или координат).

Пульт индикации (ПИ) обеспечивает индикацию информации по задействованным адресам (построчно или по страницам) и представляет собой электронно-лучевую трубку, в левой части которой растровые строки индицируют действительное положение рабочих органов, а в правой части — заданные значения в УП. Пульт индикации может работать в рабочем и проверочном (без отработки) режимах, что дает возможность получать необходимую информацию. Пульт индикации вместе с пультом ввода является видеомонитором.

Узел скорости (УС) обеспечивает управление скоростями по действующим координатам, управление торможением и выбором направления движения.

Узел оперативной памяти (УОП) имеет память для хранения вводимой информации и информации результатов вычислений во время отработки. Кроме того, УОП имеет ПЗУ для хранения состава автоматических циклов с адресами G81-G89.

Узел обслуживания (УО) представляет собой специализированный микропроцессор (вычислитель), который выполняет обработку геометрической информации, т. е. вычисление угла рассогласования по всем управляемым координатам с использованием пяти аргументов, которые могут влиять на расчеты угла рассогласования (заданное значение перемещения по координате, действительное положение рабочего органа по координате, коррекция режущего инструмента, коррекция положения рабочего органа и смещение вторичное или третичное по данной координате). Вычисленное значение угла рассогласования в каждом цикле сравнивается с заданными установками (числами) для выбора соответствующей скорости движения (ускоренный ход, одна из скоростей, торможение). Кроме того, данное устройство формирует сигналы тактирования для синхронизации работы всех устройств (выполняет функции таймера), обеспечивает управление пультом индикации.

Узел датчиков (УД) предназначен для преобразования сигналов датчиков положения в код УЧПУ, питания датчиков и усиления сигналов.

Блок внешних разъемов (БВР) представляет собой стандартный интерфейс (называется совокупность правил алгоритмов, временных сообщений, аппаратных средств подключения, с помощью которых идет обмен информации между различными устройствами) в виде адаптера или микроконтроллера, который обеспечивает связь УЧПУ с электроавтоматическими устройствами станка и управление ими. БВР предназначен для расшифровки, формирования и распределения сигналов управления группы SMT на соответствующие исполнительные механизмы, сбора и хранения информации состояния объекта (фотографирование состояния объекта), хранения поступающих заявок на исполнение, анализа поступающей информации по заявкам и ответам, распределения заявок по приоритетам и формирования сигналов прерываний, запрета и заявок на исполнение, формирования сигналов индикации состояния рабочих органов и сигналов готовности.

2. Пульт оператора, назначение органов управления

Пульт оператора включает в себя пульт ввода, пульт коррекции и пульт индикации. Панель пульта представлена на рисунке. На ней расположены органы управления и индикации.

1. Клавиши для загрузки УП: N-М — для ввода адресов команд, «+», «-», 0−9, клавиши для ввода числового кода (содержимого по адресу или модификации команды).

2. Клавиши очистки памяти и принудительной индикации: 0 — очистки отдельных регистров, «%» — общего сброса (подготовка к началу программы), Т₁ — принудительной индикации номера инструмента, находящегося в перекидном механизме, Т₂ — принудительной индикации номера очередного в магазине инструмента (при отсутствии нажатых клавиш индицируется инструмент рабочей позиции).

3. Клавиши подрежимов работы: N — назначает подрежим поиска кадра, который набран на декадном переключателе N_п (обращение по любому поводу), М01 — для назначения подрежима прерывания управляющей программы по заявке, т. е. при встрече с командой М01; LF — для назначения режима прерывания программы в конце каждого кадра;? — для назначения подрежима — отработка автоматического цикла по тактам.

4. Клавиши (-X, -Y) предназначены для смены знака по осям координат, что дает возможность отрабатывать некоторые движения зеркальным отображением относительно осей симметрии (сокращение объема УП).

5. Клавиши управления лентопротяжным механизмом в ручном режиме: > вперед, < назад, «0» — стоп.

6. Клавиши оперативного управления: «Пуск», «Стоп» — для пуска в любом режиме и прерывания отработки (действие отработки по координатам прерывается сразу, некоторые команды прерываются после их отработки); «Лента», «Ручной ввод» — для назначения режима ввода, «Местное», «Дистанционное» — для выбора пульта управления, «Вкл.», «Откл.» — для включения и отключения УЧПУ. Сигнальные лампы готовности, подтверждение задействованной клавиши и разрешений на какие-то действия.

Пульт индикации отображает информацию по всем действующим адресам согласно формату УЧПУ — N3; G2; G2; G2; Z ± 4,2; R ± 4,2; б ± 4,2; в ± 4,2; F2; S2; Т2; М2; LF, где б, в — адреса двух каналов управления, в которых могут быть использованы адреса команд A, В, С, Р, U, W, X, Y.

На пульте коррекции расположены декадные переключатели для коррекции положения рабочих органов по данным координатам X, Y, Z, W, В («плавающий нуль»), декадные переключатели L (1- 30) — коррекции положения инструмента. В данной модификации адреса коррекции инструментов закреплены жестко, в некоторых модификациях в переключателе L имеется две дополнительные декады, с помощью которых можно набрать любой адрес корректируемого инструмента.

Декадные, переключатели ® используются для набора коррекции размера радиуса фрезы (эквидистанта).

3. Узлы памяти и автоматических циклов. Узел скоростей

позиционный числовой программный управление Узел оперативной памяти в УЧПУ представляет собой буферную оперативную память, предназначенную для хранения содержимого отдельного кадра управляющей программы (основной оперативной памятью в УЧПУ типа NC является перфолента, на которой записана УП, при вводе с клавиатуры УП записана в виде распечатки на бумажном бланке). Информация кадра, поступающая из узла ввода при считывании УП с перфоленты или при вводе с клавиатуры, распределяется по соответствующим регистрам с индексацией их содержимого на пульте индикации. Запись кадра УП производится адресным способом согласно расположению команд в кадре (формату кадра).

Узел оперативной памяти позиционного УЧПУ (а) включает в себя память ввода (ПВ), представляющую собой регистр адреса с дешифратором адресов и предназначенную для хранения адресов, поступающих команд и их расшифровку. По сформированным сигналам расшифрованного адреса выполняется распределение содержимого команд по соответствующим адресным регистрам узла памяти.

Память адреса (ПА) предназначена для хранения адреса команды, который используется в шифраторе слова для проверки команд на длину слова (контроль правильности вводимой информации). Память задания включает в себя несколько блоков регистров, в которых хранятся различные данные. ПЗ-1 — память для хранения информации размерных перемещений, относящихся к первому каналу; ПЗ-2 — память задания размерных перемещений по координатам второго канала; ПЗ-3 и ПЗ-4 — память задания размерных перемещений в автоматических циклах. Память скоростей (ПС) предназначена для хранения информации, управления скоростями по адресам FST (значения скорости подачи и установочных перемещений, режим разгона торможения, условия позиционирования в конце движения, значение угловой скорости шпинделя и т. д.). Память инструмента (ПИ) хранит номера инструментов в шпинделе (рабочая позиция), в носителе магазина, заданного программой очередного инструмента, находящегося в ячейке магазина. Память команд (ПК) предназначена для хранения команд группы М, которая обслуживает вспомогательные действия в объекте управления. Память циклов (ПЦ) хранит содержимое автоматических циклов (процедур), в которые встраиваются фактические параметры цикла, считываемые из ПЗ-3, ПЗ-4 (сведения из УП).

Автоматические циклы упаковываются и формируются для исполнения в специальном блоке автоматических циклов (б). Блок автоматических циклов является программным автоматом, который формирует набор команд исполнения автоматического цикла. Содержание цикла, упакованное совместно с параметрами, выдается по тактам на объект управления с подтверждением исполнения для запуска очередного такта. Во многих металлорежущих станках, в том числе сверлильно-расточной группы, обработка включает в себя стандартные группы действий, которые различаются фактическими параметрами и набором команд нелогического техпроцесса. Таким образом, стандартные циклы представляют собой как бы стандартную подпрограмму с формальными параметрами. Для упрощения программирования и сокращения объема УП в программу можно встраивать стандартные циклы как составные части УП технологического процесса с заменой в данных циклах формальных параметров на фактические, действующие в данной УП.

Блок автоматических циклов работает следующим образом. Заголовок цикла Ga по команде ввода записывается во входной трехразрядный регистр (ВРг). Содержимое номера цикла расшифровывается с помощью матричного дешифратора (Д1). Набор сформированных сигналов дешифратором подается на формирователь команд (ФК). Одновременно счетчик частей циклов (СЧЦ), фиксируя номер такта исполняемого цикла, формирует сигналы посредством дешифратора (Д2), которые совместно с сигналами Д1 формируют команды в такте с помощью формирователя команд. Сформированные команды подаются на шифратор команд (ШК), который, расшифровывая команды, подает их на схему коммутации (СК), которая в свою очередь посредством формирователя сигналов считывания (ФСС) считывает (опрашивает) с коммутатора определенную группу команд и выдает их на шины системы для отработки соответствующими рабочими органами (считанные сигналы со встроенными параметрами реализуют отработку части цикла). После исполнения данной части цикла на станке (сигнал подтверждения) на блок автоматических циклов выдается сигнал смены части цикла; счетчик частей циклов, записав новую часть цикла, организует новую группу команд (при заявке на прерывание часть цикла задерживается на исполнение до прихода команд прекращения прерывания).

На рисунке дана циклограмма автоматических циклов, распространенная в различных видах обработки. Для удобства программирования и обращения к циклу, как к стандартной подпрограмме, все циклы имеют общий заголовок G80, который используется как команда обращения к стандартному циклу. Все стандартные циклы имеют стандартный набор тактов (действий), которые могут разрываться всевозможными прерываниями по запросам (запрос на прерывание с пульта оператора, прерывание по запросу УП, прерывание по запросу с объекта управления, прерывание по запрету и т. д.).

Стандартные циклы имеют следующее содержание: G81 — набор движений для сквозного сверления, растачивания, фрезерования (обработка свободных поверхностей с отсутствием ограничения на глубину прохода); G82 — набор движений для операций сверления, растачивания на заданную глубину с выдержкой времени в конце операции; G83 — набор движений для операции сверления глубоких отверстий с периодическим отводом инструмента для освобождения его от стружки; G83 совместно с G04 — набор движений для растачивания ступенчатых поверхностей, где в отдельных тактах производится переход на новую поверхность; G84 (цикл нарезания резьбы) — набор движений для нарезания резьбы метчиком с реверсом шпинделя (инструмента); G85 — содержит набор движений для растачивания без реверса инструмента; G86 — набор движений операции растачивания с остановкой вращения инструмента; G89 — набор движений растачивания глухих отверстий с остановкой подачи в конце обработки (высотой).

Узел скоростей позиционного УЧПУ (а) предназначен для формирования сигналов управления приводами подач (два канала управления), главным приводом, приводом магазина инструментов и приводами вспомогательных механизмов. В состав узла скоростей входит блок адреса (БЛ), который служит для формирования установок пути торможения по управляемым координатам, управления установочными перемещениями, запоминания кода адресов выбранных координат по двум каналам управления, запоминания кода команд G60-G69 (режим позиционирования), кода технологических команд группы М, для формирования сигналов общей готовности. В узел скоростей входит также блок торможения {БТ), который формирует ступень скоростей торможения F₁ — F₄, выбирает закон торможения согласно команде G60, формирует и выдает сигнал адреса координат, направления движения, вырабатывает сигнал готовности. Блок подачи (БП) формирует установку скоростей подач по двум каналам управления, выдает в привод код скоростей подачи. Блок скоростей главного привода (БСГП) предназначен для формирования кодового задания скорости главного привода, для управления электрическими и механическими ступенями. Блок управления скоростью магазина инструмента (БУСМИ) служит для управления скоростью перемещения магазина инструмента и скоростью позиционирования в рабочем положении. Блоки-усилители (БУ1-БУ4) предназначены для формирования сигналов управления приводами.

Управление скоростью позиционирования по управляемым координатам осуществляется согласно рассчитанному углу рассогласования в узле обслуживания, по указаниям командой G60 и выставленным установкам пути торможения (станочные константы).

Путевые установки У₁ У₂, У₃, У₄ (кодовые числа, соответствующие участкам торможения — станочные константы) выбираются как параметры, исходя из динамических характеристик узлов станка по управляемым координатам. Значения установок могут быть выбраны перестановкой перемычек при наладке. Это дает возможность в реальной обстановке проверить, как реализуется позиционирование рабочих органов на станке, каково их время торможения и имеют ли они автоколебания в точке позиционирования, а также выбрать новые значения установок пути торможения. Управление скоростью позиционирования по всем координатам осуществляется следующим образом. В каждом вычислительном цикле узел обслуживания выполняет вычисления угла рассогласования (а) по управляемой координате с учетом значений пяти аргументов, которые могут повлиять на значения рассогласования по данной координате.

Угол рассогласования по управляемой координате вычисляется в узле обслуживания по следующей формуле:

?L (б) = ±Д + (±К_РО) + (-П)+ (±/К_и) + (±3),

где Д — действительное положение рабочего органа по управляемой координате (сведения измерительной системы); К_РО — коррекция положения рабочего органа по данной координате; П — вторичное или третичное движение по управляемой координате благодаря параллельному движению относительно управляемой оси; К_и — коррекция положения инструмента по данной управляемой координате; 3 — заданное значение перемещения по управляемой координате (сведения из УП).

Вычисленное значение угла рассогласования? L (б) сравнивается со значением установок У₁-У₄ Для организации управления движений при позиционировании рабочих органов в заданных точках (выработка управляющего слова скоростью движения), анализируется. Если? L? У₄, то формируется сигнал ускоренного хода позиционирования, так как рабочий орган находится далеко от точки позиционирования. Если? L? У₄, то проверяется новое условие? L > У₃ и при выполнении данных условий, проверенных в узле обслуживания, узел скоростей вырабатывает сигнал переключения скорости движения на ступень F₃ (уменьшение скорости движения в зоне позиционирования). Если? L? У₃, то узел обслуживания проверяет новое условие? L > У₂. При выполнении данных условий узел скоростей вырабатывает сигнал перехода на вторую ступень скорости F₂. Если? L? У₂, то проверяется условие? L > У₁. При выполнении этих условий узел скоростей вырабатывает сигнал на переключение скорости ступени F₁. Если при проверке условий выполняется условие? L? У₁, то включается торможение, так как рабочий орган по управляемой координате находится близко от точки позиционирования (б).

В УЧПУ с развитой оперативной памятью установки пути торможения и другие станочные константы хранятся в ОЗУ в области параметров техпроцесса.