Система управления технологическим оборудованием с двухэтапным воспроизведением управляющих программ

Данная работа посвящена решению задач, возникающих при эксплуатации технологического оборудования с системами числового программного управления (ЧПУ), где в качестве программоносителей используются магнитная лента и перфолента.

Актуальность темы

В настоящее время технологические процессы на многих предприятиях авиационной промышленности базируются на технологическом оборудовании с числовым программным управлением (ЧПУ) с магнитной лентой и перфолентой в качестве программоносителей. В подавляющем большинстве подобные системы управления являются морально и физически устаревшими и потому требуют больших затрат времени и средств в эксплуатации. Использование же ленточных программоносителей приводит к определенным проблемам, связанным с их дефицитом, низким качеством изготовления, невысокой надежностью в работе, высокими затратами на их приобретение, эксплуатацию и хранение.

Кардинально все эти проблемы могут быть решены путем приобретения и внедрения в эксплуатацию современного технологического оборудования с ЧПУ. Однако такое решение требует значительных затрат и поэтому не всегда является приемлемым.

Другим решением, требующим значительно меньших затрат, является модернизация систем ЧПУ станком путем полной или частичной замены системы управления, включая замену ленточных программоносителей на электронные. Обоснованием такого подхода может служить то обстоятельство, что.

— значительная доля парка станков с ЧПУ на машиностроительных предприятиях авиационной отрасли приходится на специализированные станки, которые в настоящее время не могут быть заменены;

— сами станки еще долгое время могут поддерживаться в хорошем состоянии;

— эффективное использование технологического оборудования в значительной степени связано с качеством их систем управления.

Поэтому исследования и поиск методов и средств, обеспечивающих эффективную модернизацию систем управления действующего парка станков с.

ЧПУ на предприятиях авиационной промышленности, является задачей актуальной.

Цель работы — повышение эффективности систем управления технологическими процессами для действующего парка станков с числовым программным управлением.

Задачи исследования:

— анализ основных направлений совершенствования систем управления оборудованием с числовым программным управлением;

— исследование статистических свойств цифровых декодированных управляющих программ;

— разработка методов сжатия цифровых декодированных управляющих программ с учетом их статистических свойств и ограничений на ресурсы вычислительной системы;

— разработка аппаратно-программного комплекса для модернизации технологического оборудования с числовым программным управлением с ленточными программоносителями.

Методы исследования. При решении поставленных задач были использованы методы теории информации и кодирования, теории вероятностей, математической статистики, прикладного и системного программирования, дискретной математики и комбинаторики, теории управления, математического программирования.

Научная новизна работы заключается в том, что:

— предложен метод двухэтапного воспроизведения управляющих программ, при котором на первом этапе получают управляющую программу в цифровой декодированной форме и записывают ее в электронную память устройства управления, а на втором этапе считывают управляющую программу из электронной памяти в темпе технологического процесса и преобразуют символы программы в сигналы управления приводами подач оборудования;

— исследованы статистические свойства цифровых декодированных управляющих программ;

— разработаны модели цифровых декодированных управляющих программ как источников информации;

— разработаны методы сжатия цифровых декодированных управляющих программ с учетом их статистических свойств и ограничений на ресурсы вычислительной системы;

— предложен аппаратно — программный комплекс для модернизации технологического оборудования с числовым программным управлением с ленточными программоносителями.

Практическая ценность работы заключается в том, что внедрение ее результатов в технологический процесс на ОАО Казанский вертолетный завод (КВЗ) и ФГУП Казанское авиационное производственное объединение (КАПО) им. С. П. Горбунова позволило:

— исключить из обращения ленточные программоносители;

— повысить качество управляющих программ;

— повысить надежность технологического процесса;

— снизить трудоемкость управляющих программ;

— повысить производительность технологического процесса записи управляющих программ (не менее чем в 10 раз);

— получить значительный годовой экономический эффект (не менее 800 тыс. рублей).

Практическая ценность подтверждается следующими техническими актами внедрения работ:

— «Ремонт, восстановление и доработка многокоординатной системы ЧПУ CNC-44 на базе ПК IBM PC для формирования УП 4-х координатной обработки на станках ПФП-5 и РФ-17МП» в производство в цехе 45 ФГУП КАПО им. С. П. Горбунова;

— «Модернизация станка ПФП-5 с целью замены магнитной ленты на электронное устройство» в производство в цехе 45 ФГУП КАПО им. С. П. Горбунова;

— «Разработка системы управления на базе ПК для устройства записи программ на магнитную ленту и его доработка» в производство в ОПУ ФГУП КАПО им. С. П. Горбунова;

— «Разработка модернизированных пультов управления ПФСТ-12−500 и рабочего места контроля и загрузки УП» в производство в цехе 43 ОАО КВЗ;

— «Исключение фотосчитывающего устройства и разработка системы подготовки программ» в производство в цехе 43 ОАО КВЗ.

Кроме того, результаты исследования были внедрены в учебный процесс на кафедрах АСОИУ и ТММСИ Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева.

В первой главе выполнен обзор систем числового программного управления (ЧПУ), рассмотрены проблемы, связанные с их эксплуатацией, и основные направления их совершенствования. Показано, что:

— на машиностроительных предприятиях авиационной отрасли системы управления действующего парка станков с ЧПУ, в подавляющем большинстве, являются морально устаревшими и физически изношенными;

— использование ленточных программоносителей в системах ЧПУ существенно влияет на расходы в эксплуатации и снижает надежность технологических процессов;

— в существующих экономических условиях целесообразно решать проблемы повышения эффективности систем управления технологическим оборудованием с ЧПУ путем полной или частичной замены систем управления с заменой ленточных программоносителей на электронные;

— наличие большого парка специализированных станков (на машиностроительных предприятиях авиационной отрасли), где крупногабаритные детали находятся в обработке несколько часов, смен или даже недель, требует поиска решений, сочетающих в себе максимальную простоту системы управления с богатыми возможностями отладки управляющих программ, реализуемыми вне станка и вне цеха (например, в условиях отдела программного управления). Большое число предложений по модернизации систем ЧПУ основываются на использовании персонального компьютера или промышленного контроллера, устанавливаемых у станка, и не удовлетворяет в полном объеме этому требованию.

Во второй главе предложен метод двухэтапного воспроизведения управляющих программ и представлены результаты анализа статистических свойств цифровых декодированных управляющих программ, информационные модели таких программ и оценки показателей их сжатия при использовании этих моделей. Исследование проводилось на тестовом наборе трехко-ординатных программ, используемых в технологических процессах на ОАО КВЗ и ФГУП КАПО им. С. П. Горбунова.

Метод двухэтапного воспроизведения управляющих программ является подходом к модернизации систем ЧПУ с ленточными программоносителями, учитывающим проблемы подготовки управляющих программ. С помощью этого метода можно максимально сократить стоимость проведения модернизации и при этом максимально повысить качество технологических процессов на соответствующем оборудовании. Он подразумевает использование цифровых декодированных управляющих программ значительных объемов.

Для повышения эффективной емкости программоносителя системы ЧПУ предлагается выбрать метод сжатия, оптимальным образом учитывающий ограничения на ресурсы системы и особенности цифровых декодированных управляющих программ. Поэтому такие программы были рассмотрены как комбинаторные и вероятностные (Бернулли и Маркова, стационарные и нестационарные) источники. Для оценки эффективности метода сжатия, ориентированного на определенную модель, был выполнен анализ энтропии источника, энтропии источника на символ и фактор сжатия (отношение длины исходного файла к длине сжатого файла).

Кроме этого, здесь было показано, что учет особенностей цифровых декодированных управляющих программ позволяет ожидать либо увеличение фактора сжатия, либо уменьшение затрат оперативной памяти.

В третьей главе представлены методы сжатия цифровых декодированных управляющих программ. Эти методы представляют собой модификации современных универсальных методов сжатия данных, разработанные с учетом статистических свойств декодированных программ. Все предлагаемые методы доведены до программной реализации на языках C/C++. Также предлагается формальная постановка задачи выбора метода сжатия при ограничениях на ресурсы вычислительной системы.

В четвертой главе рассмотрена система (аппаратно — программный комплекс) ЧПУ «ФАУСТ», проектирование которой было выполнено на основе предложенного метода двухэтапного воспроизведения управляющих программ. Система «ФАУСТ» внедрена на ОАО КВЗ и ФГУП КАПО им. С. П. Горбунова и результаты ее эксплуатации подтвердили эффективность такого способа управления.

В заключении представлены основные выводы по работе.

В приложении приведены результаты исследования цифровых декодированных управляющих программ, листинги программ сжатия и схема устройства хранения и выдачи программ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

Приведена классификация систем ЧПУ и описаны основные этапы подготовки управляющих программ. Применительно к машиностроительным предприятиям авиационной промышленности выполнен обзор состояния парка станков с ЧПУ и выделены важные технологические особенности обработки деталей на станках с ЧПУ. В выводах сформулированы задачи, подлежащие решению.

ВЫВОДЫ.

1. Разработана система ЧПУ «ФАУСТ», где реализованы результаты выполненных ранее исследований:

— метод двухэтапного воспроизведения управляющих программ;

— хранение управляющих программ в электронной памяти;

— сжатие цифровых декодированных управляющих программ модифицированным методом LZ77.

2. Система ЧПУ «ФАУСТ» включает в себя:

— АРМ ФАУСТ, предназначенное для подготовки управляющих программ в декодированном цифровом формате с контролем динамических и геометрических характеристик управляющих программ в интерактивном режиме. В АРМ ФАУСТ реализован алгоритм оптимального распределения памяти для размещения управляющих программ;

— УХВП ФАУСТ, предназначенный для хранения управляющих программ в декодированном цифровом формате и их воспроизведения на станке. Для хранения управляющих программ использована память стандарта Compact Flash Card;

— БС ФАУСТ, предназначенный для преобразования символов декодированной управляющей программы в аналоговые сигналы управления приводами станка.

Система ЧПУ «ФАУСТ» внедрена на ФГУП КАПО им. С. П. Горбунова и ОАО КВЗ и результаты ее эксплуатации подтвердили эффективность такого способа управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании результатов анализа основных направлений совершенствования систем управления оборудованием с числовым программным управлением предложен метод двухэтапного воспроизведения управляющих программ.

На основании результатов анализа статистических свойств цифровых декодированных управляющих программ построены их информационные модели (комбинаторные источники, источники Бернулли и источники Маркова). Для каждой модели получены количественные значения и аналитические выражения для оценки фактора сжатия и энтропии источника. Разработаны и исследованы эффективные модификации современных методов сжатия применительно к цифровым декодированным управляющим программам. Поставлена и решена формальная задача выбора метода сжатия цифровых декодированных управляющих программ. Показано, что оптимальными методами сжатия в системе двухэтапного воспроизведения управляющих программ являются предложенные модификации словарных методов.

Разработан аппаратно — программный комплекс с двухэтапным воспроизведением управляющих программ для модернизации технологического оборудования с числовым программным управлением с ленточными программоносителями.

Для действующего парка станков с числовым программным управлением повышена эффективность систем управления за счет исключения из обращения ленточных программоносителейснижения трудоемкости управляющих программповышения качества управляющих программ, надежности технологического процесса и производительности процесса записи управляющих программ. При этом получен значительный годовой экономический эффект (не менее 800 тыс. рублей).