ВВЕДЕНИЕ
Трудно указать другую научно-техническую проблему, которая сохраняет актуальность на протяжении многих лет, чем проблема создания, внедрения и эксплуатации систем числового программного управления (ЧПУ) технологическим оборудованием. Наибольшее применение системы ЧПУ нашли в механообработке [1]. Технологическое оборудование здесь представлено парком токарных, фрезерных, расточных и других станков, обрабатывающими центрами, роботами, транспортными системами, складским хозяйством, а также установками автоматического контроля качества изделий.
Перспективность перехода в механообработке на системы числового программного управления определяется их гибкостью. Технологическое оборудование с ЧПУ легко перестраивается на изготовление нового изделия – для этого достаточно изменить управляющую программу. Технологическая подготовка процесса механообработки сводится, таким образом, к программированию, которое, в свою очередь, может быть автоматизировано с помощью ЭВМ. Для этого используют специальные языки высокого уровня, позволяющие с помощью привычных для технолога инструкций программировать изделия любой сложности. Более того, в ряде случаев программирование ведётся самим оператором непосредственно у обслуживаемого станка.
Особое значение приобретают системы ЧПУ при организации гибких автоматических производств (ГАП). Здесь должны обеспечиваться два базовых условия: гибкость, т. е. оперативность перестройки производства на новый тип изделия, и ориентация на безлюдную технологию, т. е. возможность функционирования без вмешательства операторов в течение одной – трёх смен. Проблему построения ГАП невозможно решить без освоения самых совершенных структур систем ЧПУ.
Наиболее перспективным следует считать развитие средств числового программного управления, отвечающих требованиям свободной программируемости и возможности агрегатирования узлов сопряжения с объектом управления. Структуры, обладающие упомянутыми свойствами, основаны на использовании микро, мини-ЭВМ или персональных компьютеров – РС. Главным и определяющим их свойством является возможность многоцелевого использования, т. е. использования одних и тех же технических средств для управления широким классом станков, обрабатывающих центров, роботов и других видов технологического оборудования. Именно многоцелевые системы ЧПУ наиболее эффективны при организации автономного управления, а также в составе ГАП.
КЛАССИФИКАЦИЯ И СТРУКТУРА СИСТЕМ ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
Концепции ЧПУ, АСУ ТП, ГАП механообработки
Механообработка – один из наиболее распространённых технологических процессов. Управление любым технологическим процессом (ТП) можно представить обобщенной структурной схемой (см. рис. 1.1), отражающей взаимодействие системы управления (СУ)с объектом управления (ОУ)и оператором (ОП).Сигналы X от объекта и оператора для системы управления являются входными, сигналы Y к объекту и оператору – выходными. Получая информацию по входам X, система управления по определенному алгоритму формирует сигналы Y, обеспечивая тем самым управление технологическим процессом с заданными целями. Совокупность объекта и оператора условно названа технологическим объектом (ТО).
Рис. 1.1. Обобщённая структурная схема управления технологическим процессом
Системы управления технологическим процессом, предусматривающие участие оператора, принято называть автоматизированными (АСУ ТП), в отличие от систем автоматического управления (САУТП), функционирующих в основном без участия оператора. Причинами существования АСУ ТП наряду с САУТП являются сложность технологических процессов, а также в ряде случаев экономическая нецелесообразность полной автоматизации.
В механообработке обычными объектами управления являются станки разных типов, роботы, обрабатывающие центры, измерительные установки, сварочные агрегаты и другое технологическое оборудование. Системы управления такими объектами в настоящее время проектируются на базе цифровой вычислительной техники и называются системами числового программного управления (ЧПУ). Термин «числовое программное управление» означает, что программа обработки детали, или управляющая программа, задается в цифровом виде. Раскрыть историю термина.
Системы ЧПУ обеспечивают заданную траекторию движения рабочего органа и сопутствующую последовательность технологических команд. Для механообработки типичными рабочими органами являются режущий инструмент станка, захват робота, измерительный щуп, сварочный электрод. В качестве примеров технологических команд можно привести включение и управление скоростью привода главного движения станка, смену инструмента, управление зажимными механизмами, включение охлаждения. По ходу работы системы ЧПУ получают от технологического объекта информацию о его состоянии. В общем случае сигналы X и Y в системах ЧПУ представляют собой совокупность как аналоговых, так и цифровых сигналов.
Терминологию в области устройств числового программного управления для металлообрабатывающего оборудования устанавливает ГОСТ 20523-80. Управляющей программой (УП) называется совокупность команд на языке программирования, соответствующая заданному алгоритму функционирования станка по обработке конкретной заготовки. Устройством числового программного управления называется устройство, выдающее управляющие воздействия на исполнительные органы станка в соответствии с управляющей программой и информацией о состоянии управляемого объекта. Системой числового программного управления называется совокупность функционально взаимосвязанных и взаимодействующих технических и программных средств, обеспечивающих числовое программное управление станком.
Очевидно, унификация систем ЧПУ для разных технологических объектов экономически эффективна. Системы, обеспечивающие управление широким классом объектов, принято называть многоцелевыми [1]. Перенастройка многоцелевых систем ЧПУ для заданного объекта управления обеспечивается изменением алгоритмов функционирования по его обслуживанию (перепрограммированием). Программу, обеспечивающую реализацию задач управления отдельной технологической группой станков (токарные, фрезерные и пр.), называют технологической программой (ТП), а программу, отражающую алгоритмы функционирования конкретного объекта (станок, робот и т. д.) внутри группы, называют функциональной программой (ФП). Совокупность ТП и ФП в устройствах числового программного управления (УЧПУ) можно объединить одним понятием ‑ функциональное программное обеспечением (ФПО). Выполнение задач ФПО в УЧПУ на базе ЭВМ происходит под управлением системного программного обеспечения (СПО) со стандартными функциями управления ресурсами, ввода/вывода и обработки данных. Необходимо различать ФПО и управляющие программы. ФПО остаётся неизменным для данного объекта управления, а УП изменяются при изготовлении разных деталей на одном и том же объекте.
Многоцелевые системы ЧПУ применяются для автоматизации отдельных объектов механообработки (автономные системы ЧПУ), а так же в составе АСУ ТП и гибких автоматических производств (ГАП). В любом случае применение именно многоцелевых систем ЧПУ даёт важные преимущества перед теми системами, которые к многоцелевым не относятся. Покажем достоинства многоцелевых систем ЧПУ в разных условиях применения.
Автономные системы ЧПУ применяют для управления различными объектами. Это станки многих типов, обрабатывающие центры, роботы, другое технологическое оборудование. Разнообразие объектов приводит к различиям в алгоритмах формообразования по числу координат управления, скоростям и ускорениям движения инструмента. Разнообразие типов приводов и состава технологических команд объектов ведёт к различиям в количестве и характере сигналов обмена. Необходимость разработки систем ЧПУ для каждой конкретной задачи на первых этапах освоения приводило к громоздкой номенклатуре систем. Количество различных типов систем на ряде предприятий механообработки достигало десятков, а иногда номенклатура систем ЧПУ даже превышала число типов станков. При этом возникали большие трудности эксплуатации оборудования.
Многоцелевые системы ЧПУ на базе ЭВМ позволили решить проблему использования единых средств ЧПУ для всего парка технологического оборудования механообработки предприятия или даже отрасли. Это явилось важнейшим преимуществом многоцелевых систем. Ещё одно их достоинство связано с организацией ввода управляющих программ. В первых поколениях систем ЧПУ и позже управляющая программа вводилась с перфоленты частями (кадрами). Известно, что перфоввод является ненадежным узлом. Так, до 70 % сбоев в системах ЧПУ приходится на этап работы с перфолентой. Ресурс памяти многоцелевых систем позволяет, как правило, вводить всю управляющую программу и таким образом исключить многократное считывание перфоленты в рабочей фазе изготовления изделий.
Рассмотрим преимущества многоцелевых систем ЧПУ при их работе в составе АСУ ТП, которые представляют собой несколько технологических объектов, образующих участок или цех, с общей управляющей ЭВМ верхнего уровня (рис. 1.2). Функциями ЭВМ верхнего уровня являются следующие:
– формирование управляющих программ и передача их в системы ЧПУ нижнего уровня;
– диспетчеризация и оптимизация общесистемного технологического процесса;
– контроль и диагностика и т. д.
Рис. 1.2. Иерархическое управление технологическим процессом
Преимущество такой организации прежде всего состоит в том, что полностью исключается перфолента для ввода управляющих программ. Это содействует повышению надежности и производительности.
Наиболее перспективна структура АСУ ТП, содержащая на нижнем уровне в качестве СУ1– СУ n многоцелевые системы ЧПУ. В этом случае АСУ ТП отличаются высокой помехоустойчивостью и живучестью. Помехам, как известно, в наибольшей степени подвержены сравнительно длинные линии между ЭВМи СУнижнего уровня. Вычислительные возможности и ресурс памяти многоцелевых систем ЧПУ позволяют отделить фазу изготовления детали от ввода управляющей программы. Сбои, возникающие при вводе программы, не приводят к браку изделий. По завершении ввода, контроля и коррекции всей программы переходят к фазе изготовления. Таким образом, изготовление деталей ведётся без воздействия наиболее опасных помех.
Повышение живучести АСУ ТП применением многоцелевых систем на нижнем уровне определяется тем, что последние могут при отказе ЭВМ верхнего уровня в течение некоторого времени работать автономно. По той же причине систему можно вводить в строй постепенно, начиная с нижнего уровня. Для АСУ ТП, как и для автономных систем ЧПУ, характерно участие оператора-станочника в технологическом процессе.
Наиболее совершенной формой организации механообработки являются гибкие автоматические производства. Они ориентированы на мелкосерийный и единичный выпуск изделий, что характерно для многих отраслей машиностроения. В ГАП обеспечиваются: гибкость производства, т. е. его оперативная переналаживаемость на изготовление любого типа из широкого класса изделий; полная автоматизация, т. е. функционирование по безлюдной технологии в течение заданного отрезка времени (1–3 смен).
Типовой состав ГАП приведён на рис. 1.3. Одинарными линиями обозначены информационные связи, двойными – перемещение заготовок, инструмента, изделий, отходов. Основу ГАП составляют технологические модули ТМ1–ТМ n со встроенными терминальными средствами числового программного управления (ТСУ).Изготовление изделия обеспечивается непосредственно на ТМ1–ТМ n. Технология изготовления различных изделий отличается порядком их прохождения через технологические модули и характером процесса в каждом из модулей. Транспортная система ГАП обеспечивает требуемый поток заготовок, инструмента, изделий, отходов между складом, модулями и системой вынесенного контроля. В состав модулей, помимо основного технологического оборудования (станков), входят роботы, обеспечивающие взаимодействие с транспортной системой.
ГАП открывает новые возможности организации процессов механообработки. Они предполагают объединение процесса изготовления с автоматизированной технологической подготовкой производства (АТПП), а также с системой автоматизации проектирования (САПР) и связанной с ней автоматизированной системой научных исследований и комплексных испытаний (АСНИКИ).
Рис. 1.3. Структура ГАП
Ориентация ГАП на безлюдную технологию выдвигает ряд сложных научно-технических проблем. Это, например, проблема обеспечения высокой надежности оборудования и автоматизации технической диагностики и восстановления. Ввиду этого в составе ГАП неизбежно применение различных методов резервирования и увеличение роли автоматического контроля как в зоне обработки, так и вынесенного (централизованного) контроля. И всё-таки основной проблемой при создании ГАП следует считать обеспечение гибкости, т. е. оперативной автоматической перенастройки на новый тип изделия. На начальном этапе развития ГАП допустимым и обоснованным является создание производств с участием операторов и постепенным переходом к безлюдной технологии, т. е. собственно к ГАП. Обеспечение гибкости связано с выявлением «узких мест» технологического процесса с позиций переналадки и поиском решений по их ликвидации. Характерным примером таких задач является этап точной начальной ориентации – базирование заготовки относительно режущей кромки инструмента. Традиционное решение вопроса сводится к изготовлению специальных приспособлений. Если же оснастить технологические модули многоцелевыми системами ЧПУ, то на них можно возложить не только функцию управления, но и функции автоматического контроля формообразования непосредственно в зоне обработки. При этом перспективным представляется переход от точного базирования к грубой ориентации с помощью робота и универсального зажимного устройства. Последующий автоматический контроль, например, с помощью измерительного щупа, позволяет получить информацию о точных размерах и положении заготовки. Эту информацию используют для коррекции управляющей программы путём параллельного переноса и поворота координатных осей. Наличие встроенного автоматического контроля позволяет также полностью автоматизировать процесс определения реальных размеров инструмента и коррекции управляющей программы. Размеры инструмента определяют либо пробным резанием, либо контактом (касанием) инструмента со строго базированными плоскостями.
Дополнительное преимущество многоцелевых систем ЧПУ в условиях ГАП состоит в возможности изменения функционального программного обеспечения для конкретного типа изделия. Например, можно выбирать оптимальный закон интерполяции, перераспределяя функции между системой ЧПУ и ЭВМ верхнего уровня. Такое динамическое, т. е. рассчитанное на ЭВМ, изменение алгоритмов функционирования многоцелевых систем ЧПУ повышает гибкость и производительность ГАП в целом.
Таким образом, преимущества многоцелевых систем ЧПУ, проявляющиеся в автономном режиме, в условиях АСУ ТП и ГАП не только сохраняются, но и дополняются новыми.