Автоматизация производственных процессов

Методическое обеспечение лекционных занятий (курс лекций) Автоматизация производственных процессов Снетков П.А. 6 1. ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОБ УПРАВЛЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ Система – это целенаправленное множество взаимосвязанных элементов любой природы. Общим свойством, объединяющим элементы в систему, является их направленность на достижение единой цели. Всякое управление предполагает наличие объекта или группы объектов. Кроме управляемого объекта должен существовать некоторый орган, который воздействует на управляемый объект, изменяя состояние последнего в желательном направлении. Управление представляет собой воздействия, направленные на поддержание или улучшение функционирования объекта в соответствии с имеющейся программой или целью управления. Предметом изучения в данной дисциплине является техническая система или в условиях машиностроительного производства технологическая система. Под технологической системой (ТС) подразумевается автономное устройство (комплекс устройств, интегрированная система) с четко выраженными целевыми функциями, в котором можно выделить исполнительную часть – операционный автомат и управляющую часть – управляющий автомат. Аналогичные структуры имеют технологические системы, находящиеся на различных организационных уровнях – станок с числовым программным управлением (станок с ЧПУ), гибкая производственная система (ГПС), гибкий автоматизированный цех (ГАЦ) [4]. Современные ТС представляют комплекс сложных динамических систем. Их сложность обусловлена высокими требованиями к производительности и точности работы технических систем. Управление процессами и объектами в машиностроении осуществляется с помощью систем управления. Система управления (СУ) – это комплекс устройств и средств связи, обеспечивающий точное и согласованное во времени взаимодействие рабочих и вспомогательных агрегатов и устройств ТС в соответствии с заранее разработанной программой управления на основе принятого технологического процесса [7]. 1.1. ОСНОВНЫЕ ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ УРОВНИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ Дадим определения основным организационным уровням технических (технологических) систем. Металлорежущим станком с ЧПУ называется станок, управляемый с помощью вычислительных устройств от программы управления, на которую нанесена вся необходимая информация по обработке детали (последовательность обработки, величины перемещений рабочего органа, режимы обработки и др.). В соответствии с заданной программой управления 7 станок осуществляет все рабочие и вспомогательные движения исполнительного органа для выполнения заданного технологического процесса обработки детали. Под гибким производственным модулем (ГПМ) понимают единицу технологического оборудования для производства изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик с программным управлением, автономно функционирующую, автоматически осуществляющую все функции, связанные с их изготовлением, имеющую возможность встраивания в гибкую производственную систему [3]. В состав модуля могут входить станок, перегрузочные средства, питающие и приемные устройства, объединенные общей системой управления и образующие функционально независимый комплекс, который используется как индивидуально, так и в различных комбинациях с другими модулями. К непременным свойствам модуля относятся гибкость и способность к интеграции. Роботизированный технологический комплекс (РТК) представляет собой совокупность единицы технологического оборудования, промышленного робота и средств оснащения, автономно функционирующий и осуществляющий многократные циклы [3]. Все вспомогательные операции по переносу и фиксированию заготовок и полуфабрикатов осуществляет промышленный робот, оснащенный периферийными и контрольно-информационными устройствами [9]. РТК предназначен не только для использования в гибких производственных системах, но если это так, то он должен иметь автоматизированную переналадку и возможность встраивания (интеграции). Нередко под РТК понимают модернизируемую, а не вновь создаваемую систему. Гибкая производственная система (ГПС) – это совокупность в разных сочетаниях оборудования с числовым программным управлением, роботизированных технологических комплексов, гибких производственных модулей, отдельных единиц технологического оборудования и систем обеспечения их функционирования в автоматическом режиме в течение заданного интервала времени, обладающая свойством автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик [3]. Например, в типовой набор оборудования ГПС входят интегрированный набор гибких производственных модулей, устройства хранения заготовок, изделий, приспособлений и инструментов; устройства для выполнения манипуляционных процедур с заготовками, изделиями, приспособлениями, инструментом, а также система межоперационного транспорта; при этом согласованное управление всеми компонентами ГПС осуществляется от центральной ЭВМ. Интегрированный набор основного оборудования должен быть достаточен для осуществления некоторого типового технологического процесса [4]. 8 По организационным признакам выделяют гибкие производственные системы трех видов: гибкую автоматизированную линию (ГАЛ), гибкий автоматизированный участок (ГАУ) и гибкий автоматизированный цех (ГАЦ). В гибкой автоматизированной линии оборудование расположено, в принятой последовательности технологических операций. Таким образом, если ГПС в общем случае относится к классу универсального оборудования, то гибкую автоматизированную линию можно рассматривать как специализированную ГПС, предназначенную для обработки нескольких заранее известных однотипных деталей [9]. Автоматизированный завод – это определенный достаточно высокий организационный уровень ГПС. Такой завод является интегрированным комплексом отдельных ГПС различной организационной структуры с развитой многоуровневой системой управления. Он, как правило, предназначен для изготовления и сборки широкой номенклатуры узлов, агрегатов, изделий, имеющих самостоятельное функциональное назначение. Базовым компонентом ГПС является гибкий производственный модуль. В этой связи модуль располагает средствами интеграции, обеспечения гибкости и поддержания безлюдного режима работы. Указанные средства определяют состав оборудования ячейки, который существенно превышает комплектацию традиционного многооперационного станка с ЧПУ типа обрабатывающего центра. Помимо собственно станка с ЧПУ, в состав гибкий производственный модуль входят накопитель заготовок и деталей; средства перегрузки, связывающие внешний транспорт, накопитель и рабочую зону станка; накопитель инструментов; средства перегрузки инструментов из внешних устройств их доставки в накопитель или средства замены самих инструментальных накопителей; контрольно-измерительные средства, например, для измерения размеров деталей; средства перегрузки, связывающие контрольно-измерительную позицию с рабочей зоной станка; вспомогательные устройства и механизмы для уборки стружки, очистки и мойки деталей, инструментов, зажимных приспособлений и др. Следует заметить, что дополнительное оборудование, включаемое в состав ячейки, нередко имеет собственные системы управления, работа которых должна координироваться с устройством ЧПУ. Функции ГПМ, связанные с возможностью интеграции, гибкого перехода к другому технологическому процессу, работы в безлюдных условиях, определяют состав оборудования. Полная систематизация оборудования ГПМ пока не проводилась. Однако оборудование можно объединить в 11 подгрупп: накопители, перегрузочные средства, подающие и транспортные, зажимные и удерживающие средства, системы обслуживания инструмента, управления точностью обработки, обнаружения брака, системы идентификации, диагностические средства и средства анализа диагности- 9 ческой информации, системы управления режимами резания, системы управления стружкообразованием и удалением стружки. Указанные подгруппы нередко трактуют как периферийное оборудование станка с числовым программным управлением. Считается, что в ближайшем будущем беспериферийная работа станков с ЧПУ будет столь же неестественной, как и беспериферийная работа ЭВМ. Такая уверенность существует несмотря на то, что стоимость такого оборудования составляет приблизительно половину полной стоимости станка с ЧПУ. 1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ Под программным управлением обычно понимается управление с помощью систем, обеспечивающих быстрый переход на любую программу работы путем набора ее или записи условным кодом на программоносителе, с помощью которого она вводится в станок. Программа – это описание способа достижения цели с однозначным описанием процедуры его реализации. Программа функционирования ТС – совокупность команд, которые должен реализовывать исполнительный механизм ТС. В качестве носителя программы могут использоваться штекерные панели, перфоленты, магнитные ленты, магнитные и оптические диски Flash – накопители и др. Таким образом, системы программного управления обеспечивают быструю переналаживаемость и требуемую универсальность. По командной информации системы управления (СУ) классифицируют следующим образом: 1) системы управления, работающие на основе полной начальной информации: системы управления с распределительным валом; копировальные системы управления; цикловые системы управления; системы с ЧПУ; 2) системы управления, работающие на основе неполной начальной информации: экспериментальные системы (обеспечивают оптимальное управление путем изменения управляющего воздействия); самонастраивающиеся (обеспечивают оптимальное управление путем изменения параметров системы и управляющих воздействий); самоорганизующиеся (обеспечивают оптимальное управление путем изменения структуры, ее параметров и управляющего воздействия); самообучающиеся (обеспечивают оптимальное управление путем изменения алгоритма управления или параметра управляющего воздействия). 10 В копировальной системе управления исходная информация об отработке преобразуется и выдается в виде копируемой модели обрабатываемой детали. В этом случае аналогом перемещения исполнительного устройства является профиль кулачка. Достоинством копировальной СУ прямого действия (рис. 1.1) является простота конструкции, а недостатком – быстрый износ толкателя и шаблона (копира) от силы резания, что снижает точность обработки и требует изготовления нескольких шаблонов на малую партию изготавливаемых деталей из труднообрабатываемого материала. Рис. 1.1. Копировальная система прямого действия Копировальные СУ непрямого действия обеспечивают снижение величины силы, действующей на шаблон (копир) за счет применения соответствующих усилителей, например гидроусилителя (рис. 1.2) [7]. Такая система имеет обратную связь Система отслеживает положение поршня золотника и стремится свести ошибку слежения к минимуму. При всей сложности такая система имеет большое достоинство – более высокую точность обработки и достаточно долгий срок службы шаблона. Особенностью аналоговых систем ТО является такой вид программоносителя, при котором программа обработки фактически материализуется. Использование аналогового программоносителя обеспечивает не ограниченные человеком возможности роста производительности обработки, но при этом сокращает возможность быстрой переналадки оборудования. Цикловая система программного управления (ЦСПУ) характеризуется полным или частичным программированием цикла работы станка и режима обработки. Перемещение исполнительных элементов регулируется расстановкой передвижных упоров. 11 Рис. 1.2. Устройство копировальной системы с гидроусилителем ЦСПУ является переходной от системы управления с помощью упоров к системам числового программного управления (СЧПУ). Иногда ее называют системой программно-путевого управления. Программа управления в цикловой систем может вводиться от программоносителя (перфоленты, перфокарты) или набираться с помощью соответствующих переключателей. Станки с ЦСПУ отличаются простой системой управления, не требуют высококвалифицированного обслуживающего персонала, обладают большей производительностью, чем универсальные станки, однако они имеют меньшие технологические возможности, чем станки с числовым управлением. Для их переналадки на новый вид деталей затрачивается большее время, чем при числовом управлении. Это время складывается из времени заданий новой программы и времени размерной настройки кулачков, путевых переключателей, поэтому их разумно использовать при обработке простых деталей с длительностью обработки партии не менее смены. Примеры станков с ЦСПУ: токарно-револьверный 1А34Ц, вертикально-фрезерный 6530Ц и др. 12 Цикловая система управления состоит из следующих устройств: задания и ввода программы, управления, исполнительного устройства, контроля окончания отработки этапа программы. Принцип работы ЦСПУ заключается в том, что устройство задания и ввода программы снабжает систему программного управления информацией о цикле. Оно состоит из блока задания программы (штекерная панель) и блока поэтапного ввода программы (шаговый искатель или релейная счетная схема). Устройство управления обеспечивает управление исполнительными элементами, перемещающими рабочие органы станка. Схему устройства управления довольно часто выполняют на электромагнитных реле. Исполнительное устройство обеспечивает отработку заданных программой команд и состоит из исполнительных элементов и рабочих органов станка. Устройство контроля окончания первого этапа программы подает команду на переключение на следующий этап. Окончание отработки этапа программы может контролироваться путевыми переключателями, реле времени, реле давления и т. п. Под системой числового программного управления (СЧПУ) станком понимается совокупность специализированных устройств, методов и средств, необходимых для осуществления числового программного управления. Эта система характеризуется программированием цикла, режимов обработки и путей перемещения рабочих органов станка. При этом вся необходимая информация представляется не в виде кулачков, копиров и упоров, а в виде последовательности букв и чисел, нанесенных в закодированном виде (алфавитно-цифровом коде) на программоноситель. Системы ЧПУ можно классифицировать по ряду признаков. Наибольшее значение имеет их деление по следующим трем признакам: по степени совершенства и функциональным возможностям; по виду движения исполнительных механизмов станка, определяемого геометрической информацией в программе; по числу потоков информации. По степени совершенства и функциональным возможностям системы ЧПУ делятся на следующие типы: NC (Numerical control) – числовое программное управление (ЧПУ) обработкой на станке по программе, заданной в алфавитно-цифровом коде. Эти системы работают по «жесткой логике». Ввод программы в них, как правило, осуществляется с перфоленты; HNC (Hand NC) – разновидность систем ЧПУ с ручным заданием программы с пульта устройства (на клавишах, переключателях и т. п.). В отечественной литературе эти системы получили название оперативных систем управления (ОСУ); SNC (Speicher NC) или MNC (Memory NC) – разновидность систем ЧПУ, имеющая память для хранения всей управляющей программы; 13 CNC (Computer NC) – автономная система управления станком, содержащая ЭВМ (как правило микроЭВМ) или процессор; DNC (Direct NC) – система для управления группой станков от ЭВМ, осуществляющей хранение программ и распределение их по запросам от устройства управления станком (у станков могут быть установлены устройства типа NC, SNC, CNC). Основной частью системы числового программного управления является устройство ЧПУ, относящееся к тому же типу, что и система. Устройства ЧПУ типа NC и HNC имеют постоянную структуру, а устройства ЧПУ типа SNC и CNC – переменную. Устройства ЧПУ типа SNC и CNC являются более совершенными. Они строятся на основе микро-ЭВМ (типа CNC) или микропроцессоров. Их основные алгоритмы работы задаются программно и могут изменяться для различных применений. В них можно формировать нестандартные циклы обработки, что существенно упрощает подготовку и редактирование программы. Системы типа HNC за последние годы получили дальнейшее развитие и теперь выпускаются их типы TNC (Total NC) и VNC (Voice NC). Система ЧПУ типа TNC имеет в своем составе внешнюю память на гибких или оптических дисках (для хранения управляющих программ) и дисплеи для организации общения с ней операторов. В системе ЧПУ типа VNC управляющая информация вводится непосредственно с голоса. Принятая информация затем отображается на дисплее, что обеспечивает визуальный контроль правильности ввода. По виду движения исполнительных механизмов станка, определяемого геометрической информацией в программе, системы ЧПУ подразделяются на позиционные, контурные, комбинированные и централизованные. Позиционная система ЧПУ обеспечивает установку рабочего органа станка в позицию, заданную программой управления, чаще всего без обработки в процессе перемещения рабочего органа станка. Эти системы применяются для управления станками сверлильно-расточной группы. Контурная система ЧПУ представляет собой систему, которая обеспечивает автоматическое перемещение рабочего органа станка по траектории и с контурной скоростью, заданными программой управления. Основной особенностью контурных систем является наличие в каждый отдельный момент времени функциональной зависимости между скоростями перемещения рабочих органов станка по координатным осям. Такие системы по сравнению с позиционными отличаются большей сложностью и стоимостью. Они в настоящее время являются наиболее распространенными по сравнению с другими и используются чаще всего для управления токарными, фрезерными и другими станками при обработке деталей сложного профиля. Контурные системы подразделяются на несколько разновидностей. Новейшей из них, появившейся в 80-х годах прошлого века, является оперативная система ЧПУ, построенная на базе современных микроЭВМ. В 14 этой системе расчет управляющей программы по минимальному объему исходных данных осуществляется на рабочем месте. Такие системы эффективно используются для управления металлорежущими станками при обработке деталей упрощенной геометрической формы. Комбинированная система ЧПУ включает в себя контурные и позиционные системы и используется в основном для управления многооперационными станками (обрабатывающими центрами). Автоматизированная система централизованного управления – это комплекс металлорежущего оборудования с ЧПУ, связанный единой автоматизированной транспортно-накопительной (транспортно-складской) системой и управляемый от ЭВМ. В этой системе можно выделить несколько более простых. Одна из них предназначена для управления группой станков с ЧПУ, осуществляющих механическую обработку деталей. Эта система называется системой группового управления, или системой прямого ЧПУ станками, или системой ЧПУ типа DNC. Принята следующая индексация моделей станков с программным управлением в зависимости от вида движения исполнительных механизмов станка, определяемого геометрической информацией в программе, системы ЧПУ: Ф2 – позиционная, например 2Р135Ф2 – вертикально-сверлильный станок с револьверной головкой, крестовым столом и позиционной системой ЧПУ; Ф3 – контурная, например 16К20Ф3 – токарный станок с контурной системой ЧПУ; Ф4 – комбинированная, например 2202ВМФ4 – многоцелевой (сверлильно-фрезерно-расточной) горизонтальный станок с высокой точности с инструментальным магазином и с комбинированной системой ЧПУ; АС – автоматизированная система централизованного управления, например АСВ-20 – система управления автоматизированными участками. По числу потоков информации системы ЧПУ подразделяются на разомкнутые, замкнутые, самонастраивающиеся (адаптивные). Разомкнутые системы ЧПУ (называемые также импульсношаговыми) характеризуются только одним потоком информации, направляемым от программы управления к рабочему органу станка. Перемещения рабочего органа при этом не контролируются и не составляются с перемещениями, заданными программой. Достоинствами таких систем являются отсутствие цепей обратной связи, простота конструкции, наличие надежных и быстроходных шаговых двигателей и передачи «винт–гайка качения», обеспечивающих достаточно высокую точность перемещения рабочего органа станка. Эти системы являются наиболее распространенными и применяются для управления металлорежущими станками малых и средних размеров. Принцип разомкнутого управления наиболее прост в реализации, так как не требует дополнительных устройств. Структурная схема системы 15 управления, реализующая этот принцип, представлена на рис. 1.3. Задатчик программ (ЗП) задает необходимую информацию блоку устройства управления (БУУ), который управляет исполнительным устройством (ИУ). Необходимо, чтобы выходная информация H(t) была максимально близка к заданной G(t), что в реальных условиях осложняется целым рядом таких факторов, как неточность выполнения отдельных устройств и механизмов, возмущающих воздействий и пр. Действие этих факторов можно выразить некоторой функцией f(t). Если необходимая степень соответствия выходной и входной информации не достигается при использовании данной схемы построения СУ, то применяют другие принципы управления. Реализация этих принципов предусматривает ведение обратной связи в схему управления. Рис. 1.3. Структура разомкнутой системы управления Замкнутые системы ЧПУ характеризуются двумя потоками информации: один поток поступает от программы управления, а второй от датчика обратной связи. Наличие обратной связи позволяет сопоставлять фактическую отработку программы с заданной и устранять возникающее рассогласование. Эти устройства по сравнению с разомкнутыми обеспечивают высокую точность обработки, но являются более сложными и дорогими. Они применяются для управления металлорежущими станками средних и крупных размеров. Рис. 1.4. Структура замкнутой системы управления Структурная схема замкнутой системы управления представлена на рис. 1.4. С задатчика программы (ЗП) информация поступает в блок сравнения информации (БСИ), затем в блок управления устройством (БУУ), который управляет исполнительным устройством (ИУ). Далее датчик в совокупности с устройством преобразования информации преобразует фактическое действие исполнительного устройства (ИУ) в информацию, име16 ющую вид, удобный для сравнения с информацией, поступающей в блок сравнения информации (БСИ) от задатчика программы. Это позволяет автоматически контролировать точность отработки заданной программы. Большое значение в цепи обратной связи имеет датчик обратной связи, который служит для преобразования выходной величины в сигналы, соответствующие по своей физической природе сигналам с задатчика программы. Таким образом, датчик является измерительным преобразователем (преобразует изменение одной физической величины в изменение другой). Самонастраивающиеся (адаптивные) системы могут приспосабливаться к изменению внешних условий и являются наиболее прогрессивными. Они имеют, помимо основного, дополнительные потоки информации, позволяющие корректировать процесс обработки с учетом деформации системы СПИД (станок – приспособление – инструмент – деталь) и ряда случайных факторов, таких, как затупление режущего инструмента, колебание припуска и твердости заготовки и др. Принцип компенсации (комбинированное управление) позволяет уменьшить или исключить последствия влияния этих вредных факторов. Система автоматического управления астатическая по отношению к управляющему воздействию, если при его стремлении к постоянной величине ошибка приближается к нулю и не зависит от управляющего воздействия. Система автоматического управления статическая по отношению к управляющему воздействию, если при стремлении последнего к постоянной величине ошибка также стремится к постоянной, отличной от нуля величине и зависит от управляющего воздействия. Как видно из схемы, представленной на рис. 1.4, наличие рассогласования является необходимым условием изменения состояния исполнительного устройства технической системы. Однако наличие рассогласования во многих случаях приводит к погрешностям отработки командной информации и, как следствие, к браку при осуществлении ТП. При малых скоростях изменения управляющего воздействия погрешность относительно невелика и ею можно пренебречь. В тех случаях, когда это изменение имеет большое значение или управление осуществляется по нескольким координатам, погрешность существенно возрастает. Наиболее простой способ уменьшения ошибки – снижение скорости изменения управляющей информации. В этом случае значительно меньше сказываются динамические ошибки, и погрешность также уменьшается. Однако применение такого способа удлиняет рабочий цикл, что приводит к снижению производительности ТС. В системе управления большую роль играет коэффициент передачи составляющих ее звеньев. Для информационных потоков в СУ можно записать следующее выражение: E(t)=G(t) – H(t). 17 Регулируемый выходной параметр H(t) = E(t)  k, где k – произведение коэффициентов усиления звеньев, составляющих прямую цепь СУ. В системах управления ТО обычно применяют обратную связь с коэффициентом передачи, равным 1. В этом случае выражение примет следующий вид: H(t) = k[G(t) – H(t)]. При наличии внешних возмущающих воздействий получится выражение: H1(t) = k[G(t) – H1(t)] – f1(t); H2(t) = k[G(t) – H2(t)] – f2(t). Здесь изменению параметра от f1(t) до f2(t) соответствует изменение выходного параметра от H1(t) до H2(t) или H(t) = H1(t) – H2(t) H(t) = k[G(t) – H1(t)] – f1(t) – k[G(t) – H2(t)] – f2(t). Преобразуем эту формулу: H(t) = k [H1(t) – H2(t)] + f1(t) – f2(t); H(t) = k [ – H(t)] + f(t), и окончательно получим f (t ) . 1 k Из этой формулы видно, что отклонение регулируемого параметра от заданного прямо пропорционально возмущающему внешнему воздействию (сила трения в направляющих, сила резания и др.) и обратно пропорционально произведению коэффициентов усиления звеньев прямой цепи и цепи обратной связи. Следовательно, для повышения качества СУ необходимо увеличивать коэффициент усиления ее звеньев, однако в некоторых случаях это может привести к потере устойчивости. Поэтому всякое изменение параметров передаточных звеньев СУ следует анализировать с точки зрения устойчивости. H (t )  1.3 ХАРАКТЕРИСТИКИ И ФУНКЦИИ СИСТЕМ ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ Разрешающей способностью системы является наименьшее перемещение рабочего органа, которое может быть задано СУ и зарегистрировано измерительной системой ТС. 18 Дискрета – это минимальная теоретическая величина реакции ТС на единичное изменение управляющего сигнала. Основное назначение системы управления – выполнение заданных команд для поддержания требуемых значений параметров выполняемого ТП при определенной точности с наибольшей производительностью. Выбор СУ во многом зависит от специфики ТП, в котором эксплуатируется ТС, и от требований экономики. Команды, задаваемые ТС в системах программного управления, делят на три категории: 1) технологические команды, обеспечивающие требуемые действия рабочих органов ТС при выполнении ТП; 2) цикловые команды, к которым относят изменения параметров ТС (например, переключение скорости и подач, выбор инструмента, выключение охлаждения, реверс и т. д.); 3) команды на выполнение служебной или логической информации, обеспечивающие правильность выполнения ТО всех задаваемых ему команд (обозначение адресов, знаки разделения команд, контрольные числа). Эти команды зависят от принятой системы их кодирования. Все функции, выполняемые системами ЧПУ, можно подразделить на три основные группы: продукционные, сервисные и специальные. Продукционные функции характеризуют возможность системы ЧПУ обеспечивать обработку детали определенной сложности с некоторой точностью и производительностью. К ним относятся: число координат (2…6), число независимых движений (1…8), виды интерполяции, типы нарезаемых резьб, способы и диапазоны задания величин перемещений (106…108дискрет), скоростей подач (0,01…8 000 мм/мин), скорости резания, скорости ускоренного хода (6…100 м/мин), стабилизация ускорения (3…120 м/с2), технологические команды, цена дискреты (0,1…0,00001 мм), коррекции механических погрешностей станка и способ управления приводом. Сервисные функции определяют простоту и удобство обслуживания, эксплуатации и ремонта систем ЧПУ. От них зависят удобство и простота программирования, отладки и внедрения программ, а следовательно, они являются техническими характеристиками, определяющими достижимый коэффициент использования оборудования. К ним относятся все виды коррекции и редактирования управляющих программ, в том числе коррекции скоростей, размеров инструмента, эквидистант, программируемые и жесткие циклы, способы задания размеров, автоматическое вычисление моментов торможения, различные способы автоматического программирования, ускоренная проверка программ и визуализации траекторий, возможность программирования в кодах ISO или на языке более высокого уровня, мнемопрограммирование, т. е. все что способствует сокращению объема вводимой в систему информации, корректировке размеров и режимов, и ис- 19 правлению ошибок, возникающих на всех этапах процесса изготовления деталей на станках с ЧПУ. Специальные функции – это функции, необходимые для узких классов и даже отдельных специальных станков и установок с ЧПУ. К ним относятся, например, коррекция программ по сигналам специальных толщиномеров, функции учета прогибов нежестких деталей, программирование по первой детали и т. д. Особое место занимают показатели надежности системы ЧПУ, к которым относятся среднее время наработки на отказ, на индикатируемый и не индикатируемый сбой, время восстановления, время непрерывной работы и срок службы. Эти величины гостированы. Но назначают их, на основании экспертной оценки. Задания для самоконтроля 1. Дайте определения основным понятиям: система, управление, программа. 2. Охарактеризуйте различные организационные уровни автоматизированного машиностроительного производства. 3. Объясните принцип работы копировальной и цикловой системы управления. 4. На какие типы делятся системы ЧПУ по степени совершенства и функциональным возможностям. 5. Как индексируются модели станков в зависимости от вида использованной системы ЧПУ. 6. Объясните принцип действия замкнутой и разомкнутой системы ЧПУ. 7. Как подразделяются системы ЧПУ по виду движения исполнительных механизмов станка, определяемого геометрической информацией в программе. 8. Перечислите основные характеристики систем ЧПУ. 9. Функции выполняемые системами ЧПУ технологических объектов. 20 2. УПРАВЛЕНИЕ НА РАЗЛИЧНЫХ ОРГАНИЗАЦИОННЫХ УРОВНЯХ В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ 2.1. ОБЪЕКТЫ УПРАВЛЕНИЯ В ГПМ 2.1.1. ОРГАНИЗАЦИЯ ПОТОКА ДЕТАЛЕЙ Гибкий производственный модуль потенциально ориентирован на интеграцию и в этой связи располагает своеобразным «механическим интерфейсом» для подключения к внешнему материальному потоку заготовок и обработанных деталей. Функции подобного интерфейса в модулях выполняют приемопередающие устройства, способы построения которых чрезвычайно многообразны. Для организации потока деталей типа «корпус» в приспособлении-спутнике в основном используют разнообразные приемопередающие устройства с телескопическим столом или захватным устройством. При этом удобство организации перегрузочного цикла получается за счет некоторого усложнения устройства, связанного с промежуточным хранением перегружаемых деталей, например, с помощью приставочного накопителя, который выполняет чрезвычайно важную роль. При автономной работе ГПМ или безлюдной работе в составе ГПС в ночную смену необходимо создать задел заготовок, достаточный для непрерывного функционирования без дополнительной подпитки и какого-либо вмешательства оператора в течение заданного времени. Для организации потока деталей типа тел вращения в качестве приемопередающих устройств чаще всего используют роботы. Достаточно специфический характер носят приставочные транспортно-накопительные средства, которые хранят и переносят детали на спутниках, в кассетах, ящиках и другой специальной таре. Роботы, используемые в качестве приемопередающих устройств, могут быть специальными или универсальными. Специальные роботы являются, как правило, неотъемлемыми компонентами конструкции станка. Обычно отдельные узлы робота выбирают из числа стандартных модулей. Широкий набор подобных модулей позволяет скомпоновать агрегат, в наилучшей степени отвечающий конкретным условиям. В особенности удачными представляются специальные портальные роботы, поскольку они не требуют дополнительной производственной площади и не препятствуют доступу оператора в рабочую зону станка при наладке. Универсальный робот автономен и является внешним по отношению к станку устройством. Для него характерно (хотя и необязательно) напольное исполнение. Для более эффективного использования универсальных роботов ГПМ строят нередко на базе двух станков и более. 21 Известны случаи, когда в сложных ГПМ применяют более одного универсального робота, например, отдельные роботы для загрузки заготовок и разгрузки обработанных деталей. В заключении можно отметить, что универсальные роботы находят применение и в качестве приемопередающего устройства для смены спутников. Однако такое решение свойственно скорее модернизируемым, чем вновь проектируемым ГПМ. 2.1.2. ОРГАНИЗАЦИЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО ПОТОКА ГПМ унаследовали от своих предшественников – многооперационных станков типа обрабатывающего центра – инструментальные накопители, выполненные в виде револьверных головок (вместимостью до 12 инструментов), инструментальных барабанов или дисков (со средней вместимостью 12...30 инструментов), цепных инструментальных магазинов (свыше 50 инструментов). Тем не менее, в гибких производственных модулях во многом пришлось организовывать по-новому все инструментальное хозяйство, в том числе и сам инструментальный поток. Расширение номенклатуры обрабатываемых деталей, продиктованное требованием гибкости, потребовало резкого увеличения вместимости накопителей, которая в некоторых станках превысила 200 инструментов. Очевидно, что для такого увеличения существует разумный предел, обусловленный возрастанием габаритных размеров накопителя и массы его движущихся частей, включая массу самого инструмента. Между тем возникла необходимость хранить не только основной, но и резервный инструмент на случай разрушения основного или исчерпания периода его стойкости в безлюдную смену. Все большее число позиций накопителя начали отводить под контрольно-измерительный инструмент (в некоторых случаях до 20 %). Таким образом, нарастающий дефицит вместимости накопителя инструмента можно ликвидировать только за счет внешнего его пополнения. Этим обстоятельством и определяется принятая в ГПМ организация инструментального потока. Начальным звеном в инструментальном потоке служит приемопередающий механизм перегрузки инструмента из накопителя в шпиндель и обратно, обычно называемый автооператором. Его эффективность зависит от того, насколько быстро осуществляется цикл перегрузки. В лучших конструкциях длительность этого цикла составляет 4 с. и менее. Существует тенденция построения механизмов для автоматической смены инструментов, в которых какое-либо приемопередающее устройство на стыке между накопителем, и шпинделем вообще отсутствует. В этом случае цикл перегрузки организуют путем движений накопителей и шпинделя. 22 Составной частью операции хранения инструмента в накопителе является идентификация инструмента. Получили распространение три способа идентификации. Первый заключается в том, что инструментальная наладка имеет адресное устройство того или иного конструктивного исполнения, например, на конусной части оправки предусмотрены лыски с резьбовыми отверстиями для набора цифрового кода с помощью резьбовых штырей. Код распознается электромеханической контактной системой, причем безразлично, в какое гнездо магазина загружают конкретный инструмент. При втором способе каждому гнезду магазина соответствует определенный инструмент, и процесс поиска конкретного инструмента заключается в позиционировании инструментального накопителя. Наиболее прогрессивен третий способ, называемый переменным кодированием гнезда под инструмент. Устройство ЧПУ содержит динамическую систему таблиц, в которых каждому инструменту сопоставлены абсолютный код инструмента, внутренний код коррекции длины и радиуса инструмента; признак активности (знаком плюс обозначают активный инструмент, а знаком минус – инструмент, исчерпавший ресурс стойкости), признак «родственных отношений» (в таких «отношениях» находятся основной и резервный инструмент одного и того же назначения), код гнезда, где инструмент находится в данный момент времени. При смене инструмента предыдущий устанавливается на место последующего, а в таблицы автоматически вносятся изменения. В основном проблема обеспечения ГПМ инструментом решается одним из двух способов: путем увеличения вместимости собственных накопителей (главным образом за счет их числа) или за счет организации единого потока движения деталей и инструментов. Существует много способов подачи инструментальных наладок к пристаночному накопителю ГПМ, например, инструмент доставляется с помощью рельсовой транспортной тележки, а перегружается в инструментальный накопитель роботом, установленным на тележке. Иллюстрацией к организации единого потока движения деталей и инструментов может служить техническое решение, предложенное Ивановским станкостроительным объединением. Инструментальный комплект доставляется на спутнике теми же транспортными средствами, которые используются и для подачи деталей в ГПМ. 2.1.3 КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ГИБКОГО ПРОИЗВОДСТВЕННОГО МОДУЛЯ Контрольно-измерительную систему применяют для контроля детали, инструмента, основного рабочего процесса и отдельных подсистем ГПМ. Ее основное назначение – обеспечение бесперебойности рабочего процесса, предотвращение аварий и повреждений, контроль за качеством, 23 текущее диагностирование и накапливание статистической информации. Для достижения указанных целей контрольно-измерительные функции выполняются перед обработкой, во время обработки, между отдельными операциями рабочего процесса и после завершения обработки. При контроле деталей перед обработкой должны быть идентифицированы налета и заготовка, проконтролировано пространственное расположение заготовки, введены соответствующие корректировки и установлена связь систем координат станка и детали, измерены припуск и твердость для определения числа проходов; во время обработки и между операциями должны быть обеспечены контроль качества (проверены размеры, допуски, отклонения формы) и расчет необходимых корректировок; после завершения обработки должен быть выполнен окончательный контроль качества и учтены все данные, используемые при накоплении статистической информации и установлении трендов. При контроле инструмента перед обработкой должны быть проконтролированы правильность выбора инструмента, степень износа и состояние рабочей кромки, определены необходимые коррекции на длину и диаметр инструмента; во время обработки должны осуществляться контроль непредвиденного изнашивания инструмента и наблюдение за ресурсом стойкости, контроль контакта с деталью, контроль поломки инструмента (с оценкой брака, как исправимого, так и неисправимого), контроль режимов, недопустимых вибраций, сливной стружки; между операциями и после завершения обработки необходимо устанавливать непредвиденное изнашивание и поломку инструмента, фиксировать режимы, которым сопутствует сливная стружка. При контроле основного рабочего процесса перед обработкой должен быть обеспечен контроль наличия заготовки, инструмента, управляющей программы, модели рабочего процесса; во время обработки и между операциями следует осуществлять сбор и накопление информации о протекании рабочего процесса (диагностические данные, отказы, коррекции, остановы); после завершения обработки должны быть проанализированы причины появления любых отрицательных факторов, учтены все необходимые данные, участвующие в накоплении статистики и определении трендов. Для отдельных подсистем ГПМ постоянно или периодически должны быть обеспечены сбор, накопление и анализ диагностической информации, формирование моделей функционирования, локализация аварий и сбоев, прогнозирование отказов, своевременное привлечение резервов. По поводу перечисленных функций контрольно-измерительной системы можно сделать выводы. Во-первых, приведенный перечень (конечно, неполный) ни в одной известной ГПМ во всем объеме не реализован. Во-вторых, сколько-нибудь заметная тенденция к централизации контрольно-измерительных функций в рамках единой подсистемы не про24 является. Напротив, значительная часть указанных функций выполняется средствами системы ЧПУ и средствами системы управления электроавтоматикой ГПМ. Другая часть выполняется специальными средствами: системой идентификации, решающей задачи из класса распознавания образов; мониторной системой контроля инструмента; системой адаптивного управления процессом резания; контрольно-измерительным автоматом. Таким образом, контрольно-измерительные функции в ГПМ явно децентрализованы. Подавляющая часть контрольно-измерительных функций в существующих гибких производственных модулях связана с обработкой геометрической и размерной информации и информации о силовых параметрах процесса резания. 2.1.4. СИСТЕМЫ ОБСЛУЖИВАНИЯ ИНСТРУМЕНТА И НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ПРОЦЕССОМ РЕЗАНИЯ К основным формам обслуживания инструмента (исключая его идентификацию и коррекцию по результатам прямого измерения, о которых говорилось выше) относятся: контроль предельной стойкости по времени; контроль состояния (т. е. текущей стойкости) на основе косвенных оценок, экспериментальных данных и расчетных моделей; контроль поломок. Наблюдение за процессом резания создает возможность для адаптивного управления – по ограничениям, или с привлечением некоторого критерия оптимизации. Инструмент в ГПМ является наиболее слабым звеном, поэтому та или иная разновидность его контроля применяется обязательно. В простейшем случае сопоставляется фактическое время работы инструмента с его нормативной стойкостью. При этом возможны такие варианты сопоставления: учет по времени резания, которое в этом случае следует как-то определять; учет по времени вращения шпинделя вместе с данным инструментом, расчетная стойкость задается числом обработанных деталей. Если нормативный ресурс стойкости исчерпан, инструмент принудительно заменяется на резервный без учета его фактического состояния. Аналогичным способом осуществляется контроль стойкости для многоинструментальных головок и насадок. Недостаток этого способа – ошибки при назначении норматива, который значительно колеблется в зависимости от качества изготовления инструмента, стабильности свойств обрабатываемого материала, постоянства припуска на обработку и т. п. Наиболее распространенным способом контроля текущего состояния инструмента является измерение какого-либо силового фактора процесса резания. Такой способ требует предварительного обучения системы управления контролем (эти системы часто называют мониторами). В процессе обучения при работе новым инструментом по отлаженной управляющей программе ЧПУ в память монитора поступают данные о фактических условиях резания. Затем в производственном цикле эти данные служат 25 ориентиром для оценки фактического состояния инструмента. По выбору технолога устанавливают одно из двух возможных ограничений: недопустимость превышения максимального значения нагрузки от сил резания, невозможность выхода за границы верхнего и нижнего пределов допустимых отклонений от номинального (экспериментального) значения нагрузки. Обычный режим наблюдения за процессом резания, осуществляемый мониторами, заключается в регистрации текущих параметров резания и сопоставлении их с ограничениями или значениями, полученными ранее при пробной обработке. Использование ограничений недостаточно информативно. Недостатки режима работы по результатам обучения наиболее очевидны при обработке малых партий или очень дорогих деталей, характерных, например, для авиационной промышленности. В этой связи не прекращаются поиски новых принципов организации работы мониторов. «Развитые» мониторы не ограничиваются контролем и измерением инструмента, но ведут активное наблюдение за процессом резания в целом и тем или иным образом используют результаты наблюдения. При соответствующем развитии программно-математического обеспечения монитор становится звеном в контуре адаптивного управления (этот контур замыкается через устройство ЧПУ). 2.2. СПЕЦИФИКА УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫМИ РОБОТАМИ Многообразие систем управления роботами можно группировать по разным признакам, например: по составу и типу входящих устройств, показателям качества управления, виду траектории движения и т. п. Однако имеются достаточно специфические признаки, которые принципиально характеризуют процесс управления роботом. Прежде всего, это способ управления, определяемый в зависимости от степени участия оператора в управлении роботом. По этому признаку системы управления делятся на два больших класса: человеко-машинные, к которым относятся системы дистанционного и интерактивного управления, имеющие оператора непосредственно в контуре управления; автоматические, когда оператор остается вне контура управления и взаимодействует с роботом только на этапе обучения. Другим столь же важным признаком является метод управления, который можно применить для дальнейшей классификации выделенных классов. Человеко-машинные системы дистанционного и интерактивного управления роботами в соответствии с методами управления делятся на шесть основных групп: 26 системы командного управления, в которых оператор включает по отдельности приводы каждого звена робота дистанционно путем нажатия на соответствующие кнопки (тумблеры) пульта управления; системы копирующего управления, в которых оператор дистанционно управляет роботом с помощью задающего устройства, кинематически подобного исполнительному устройству робота (движение каждого звена задающего устройства передается на соответствующее звено исполнительного устройства по принципу следящей системы); системы полуавтоматического управления, в которых оператор, нажимая на многостепенную управляющую рукоятку, задает желаемое движение захватного устройства, а специализированный вычислитель (ЭВМ) по электрическим сигналам от датчиков рукоятки вычисляет и формирует соответствующие сигналы управления для приводов всех степеней подвижности; автоматизированные интерактивные системы управления, в которых только часть операций выполняется автоматически, а остальные предоставлены оператору; интерактивные системы супервизорного управления, в которых оператор, наблюдающий по экрану (дисплею) обстановку в месте действия робота, подает отдельные команды – целеуказания. По сигналам от них включаются те или иные программы автоматического действия робота; интерактивные системы диалогового управления, отличающиеся от систем супервизорного управления тем, что робот не только выполняет команды оператора, но и активно помогает ему в распознавании обстановки и принятии решений. Главная особенность систем автоматического управления роботами – отсутствие непосредственного участия человека в процессе управления. Функция оператора состоит лишь в обучении, запуске и последующем периодическом наблюдении за работой робота. Системы автоматического управления в соответствии с используемыми методами управления делятся на системы: программного управления, основой которых является синтез движения робота по заранее рассчитанной преимущественно жесткой программе. Программа сохраняется в памяти вычислительного устройства и может быть изменена путем перепрограммирования в новом цикле обучения робота. В системах программного управления не предусматривается отработка информации, устраняющая неопределенность характеристик внешней среды, хотя информация о внутреннем фазовом состоянии робота используется в законе управления. В свою очередь, системы программного управления делятся на цикловые, позиционные и контурные; адаптивного управления, движение робота в которых организуется по гибко изменяемым или корректируемым программам. При этом перестройка программ происходит в ответ на изменения условий внешней среды. Для 27 получения внешней информации адаптивные системы управления обеспечиваются разнообразными средствами очувствления; интеллектного управления, в которых программа движения робота вообще не задается, а синтезируется системой управления на основе описания внешней среды, совокупности правил возможного поведения в среде и имеющейся целевой установки задачи. Основное отличие интеллектных систем управления от предыдущих – способность извлекать из данных не только информацию, а еще и знания. Для этой цели системы очувствления дополняются системами понимания (представления знаний). Несмотря на ряд имеющихся способов классификации именно методы управления положены в основу общепринятой классификации роботов по трем поколениям: первое – роботы с программным управлением; второе – роботы с адаптивным управлением; третье – роботы с элементами искусственного интеллекта. При этом поколения роботов различаются не по этапам развития технологии, как, например, поколения вычислительной техники (когда одно поколение вытесняет полностью другое), а по уровню гибкости управления. Наиболее «жестким» управлением обладают роботы первого поколения с программным управлением, а наиболее гибким – роботы третьего поколения с интеллектным управлением. Большая часть эксплуатируемых роботов принадлежит к первому поколению программно-управляемых автоматов. Главное преимущество роботов с программным управлением состоит в том, что они имеют широкое применение при достаточно простом конструктивном исполнении. Наибольшая эффективность их проявляется в условиях монотонно-циклических операций при сравнительно редких переналадках на новый вид работ. Объем подобных операций будет значительным и в будущих производствах, поэтому с развитием последующих поколений промышленных роботов потребность в простых программных работах не уменьшится. Они будут успешно совершенствоваться и дальше. Вместе с тем применение роботов первого поколения всегда связано с необходимостью строгого упорядочения и специального приспосабливания технологической среды для работы робота. Эти дополнительные требования усложняют технологический процесс и удорожают разработку, создание и эксплуатацию роботизированного производства. Развивая систему программного управления, удается преодолеть ограниченность роботов первого поколения, повысить гибкость управления и в значительной мере исключить необходимость приспосабливания технологической среды к роботу. Последующие поколения роботов имеют более широкие возможности благодаря разнообразным средствам очувств- 28 ления, адаптации и технической имитации отдельных интеллектуальных функций, присущих человеку. Цикловые и позиционно-контурные системы управления роботами в основном построены и функционируют по тем же принципам, что и соответствующие системы управления МРС. Рядом интересных особенностей обладают адаптивные и интеллектные СУ, а так же системы решающие задачу управления шагающими роботами. 2.2.1. ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМ ЦИКЛОВОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫМИ РОБОТАМИ Сравнение различных систем автоматического управления можно провести по следующим характеристикам: тип траектории движения робота, цикл управления, источники информации для синтеза закона управления, алгоритм управления, способ программирования системы управления. Тип траектории движения робота. Цикловые системы управления обеспечивают лишь дискретную траекторию движения. Каждая ее дискретная точка соответствует одной комбинации из имеющегося общего числа сочетаний крайних положений звеньев манипулятора. Позиционирование в крайнем положении реализуется обычно механическим упором. Главный недостаток дискретности траектории – неполная достижимость точек рабочей зоны робота. Позиционные системы управления обеспечивают квазинепрерывную траекторию. Это значит, что траектория, по существу, непрерывная, но позиционирование возможно только в дискретных значениях непрерывной функции. Число дискретных значений зависит от возможностей управляющего устройства и составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч точек. Контурные, адаптивные и интеллектные системы управления обеспечивают непрерывные траектории движения, т. е. возможность позиционирования в любой точке рабочей зоны робота. Более того, параметры движения (скорость, ускорение, торможение) можно изменять в процессе перемещения по траектории. Цикл управления. Цикловые системы управления имеют разомкнутый цикл управления, т. е. сигналы управления поступают из программатора непосредственно на привод робота. В позиционных системах цикл замкнут по точкам позиционирования и разомкнут для движения между точками позиционирования, которое происходит по заданному закону. В контурных системах цикл управления замкнут по внутренней информации о динамическом состоянии звеньев робота, а адаптивные системы имеют дополнительные контуры для организации замкнутого цикла по внешней информации о динамическом состоянии среды. Интеллектные системы, кроме того, обладают замкнутыми циклами по внутренним и внешним знаниям. 29 Источники информации. В цикловых системах обычно не используются информационные датчики. Исключение составляют концевые выключатели, фиксирующие нахождение звеньев в крайних положениях. В позиционно-контурных системах каждое звено снабжается обязательно датчиком положения, сигнал которого поступает в устройство сравнения для формирования сигнала рассогласования между задаваемыми и текущими положениями звеньев. В адаптивных системах к датчикам внутренней информации добавляются датчики внешнего очувствления, а в интеллектных системах средства очувствления объединяются с базами знаний. Алгоритм управления. В цикловых системах алгоритм управления формируется в виде логической последовательности срабатываний звеньев манипулятора. В позиционных системах наряду с логической последовательностью движения звеньев существует еще закон интерполяции, определяющий движение между точками позиционирования. В контурных, адаптивных и интеллектных системах алгоритм управления синтезируется в результате решения дифференциального уравнения, описывающего динамику робота. Способ программирования. Цикловые системы программируются путем физической настройки механических упоров и ручного набора циклограммы на программаторе. Позиционно-контурные системы программируются в режиме непосредственного обучения с использованием языка машинных кодов либо, с применением языков программирования высокого уровня. Используются также специальные языки программирования, учитывающие специфику робота. Для адаптивных и интеллектных систем характерны автоматизированные и автоматические способы программирования. 2.2.2. АДАПТИВНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РОБОТАМИ Задача построения адаптивного управления роботом обычно включает в себя три важных раздела: создание сенсорных устройств, обработка информации с сенсорных датчиков и синтез адаптивных законов управления. Сенсорные устройства. Чувствительные датчики информации выполняют роль технических органов чувств робота и необходимы для успешного решения двух главных задач: повышения точности работы робота; обеспечения автономности функционирования робота в различных изменяющихся условиях. Чтобы решить эти главные задачи, необходимо придать роботу ощущения двух типов: во-первых, робот должен чувствовать «себя», т. е. с помощью датчиков фиксировать результаты своих движений и оценивать их правильность; 30 во-вторых, робот должен чувствовать окружающую обстановку, т. е. соотносить свое расположение и свои перемещения с расположением внешних для него предметов и их движениями. Ощущения роботом «себя» создают с помощью датчиков, измеряющих положения отдельных звеньев робота, скорости перемещения по каждой степени подвижности, ускорения или торможения звеньев. Информация об окружающем пространстве создается с помощью приборов, регистрирующих геометрические, физические или химические свойства окружающей среды. С позиций адаптивного управления наибольший интерес представляют приборы, снабжающие робот информацией от внешнего по отношению к нему мира. Сенсоры геометрических свойств выполняют следующие функции: ограничивают движения звеньев робота в результате соприкосновений или его контактов с предметами во внешней среде (тактильные датчики в виде концевых выключателей или пьезоэлементов); определяют расстояние до окружающих предметов или размеры и ориентацию предметов путем локационных измерений (оптические, ультразвуковые, радиотехнические, телевизионные системы технического зрения и локации). Сенсоры физических свойств выполняют функции: измерения усилий и моментов; измерения плотности и давления жидких, твердых, газообразных веществ; измерения температуры; определения цвета и запаха. Сенсоры химических свойств определяют химический состав веществ с помощью анализаторов типовых химических реакций. Наиболее распространенными в робототехнике стали разнообразные устройства технического зрения, тактильные и силомоментные датчики. С их помощью удается эффективно решать задачи адаптивного управления роботами. Однако сенсоры обеспечивают только исходные данные в виде токов, напряжений, чисел и т. п. Использовать эти данные для синтеза закона управления можно только после обработки сенсорной информации. Обработка информации в сенсорных системах. Рассмотрим общую структуру видеоанализа в робототехнике. Классифицируем элементы структуры с точки зрения этапов видеоанализа, способов распознавания и типов математических процедур. Решение видеосенсорных задач связано с возможностями вычислительных устройств робототехнических систем по восприятию информации в естественной форме – в виде изображения рабочего пространства, изделий, чертежей и т. д. Восприятие видеоинформации в естественной форме требует анализа изображения с помощью ЭВМ. 31 Цель видеоанализа – получение сжатого описания изображения. Требуемое описание должно быть инвариантно в заданном отношении и должно отвечать на поставленные вопросы относительно изображенных объектов: количественные, качественные и геометрические свойства, логические выводы и т. д. Решение задач видеоанализа включает в себя предварительную обработку и построение интерпретации описания (обучение, представление образа, распознавание). На этапе предварительной обработки реализуются различные формы фильтрации. При этом исходное изображение преобразуется в новое с таким же числом точек. На этапе построения и интерпретации описания выделяется существенная информация, что резко снижает объем данных. 2.2.3. ИНТЕЛЛЕКТНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ Необходимость в интеллектном управлении роботами возникает из практических требований повышения точности и автономности функционирования роботов в условиях не строго организованной технологической среды. Наличие роботов с интеллектным управлением может повлиять на значительное снижение затрат, расходуемых на подготовку и организацию рабочей среды. При этом производство таких роботов должно быть экономически целесообразным. В робототехнике имеется ряд задач, которые необходимо решать с применением методов и теории искусственного интеллекта. К таковым относятся, например, задачи перегруппировки предметов внешней сцены, целенаправленного передвижения или навигации. Традиционно эти задачи в случае простых роботов решал человек. Однако такой способ решения имеет ряд недостатков, связанных: со сложностью целеуказания оператором; удаленностью или автономностью работы робота; быстрым динамическим изменением состояния среды. Существенным моментом для любого типа интеллектного управления является синтез программы, моделирующей «разумное» поведение робота в изменяющихся условиях внешней сцены. Для встраивания программы моделирования в систему управления необходима разработка специализированных языков программирования искусственного интеллекта. Первым языком программирования, примененным в интеллектном управлении роботами, был язык математической логики, основанный на исчислении предикатов первого порядка. Этот язык был использован ученым Стенфордского исследовательского института (США) Н. Нильсоном для разработки системы интеллектного управления автономным роботом, названной им STRIPS. В дальнейшем для управления роботами были применены и другие языки программирования. 32 В настоящее время во всем мире ведутся интенсивные исследования в области языков программирования искусственного интеллекта. Перечислим несколько направлений этих исследований: обработка символьной информации (чаше всего в форме списков) с преобразованием ансамблей из сложных символьных структур. Наиболее типичным представителем является широко распространенный язык LISP и его диалекты; обработка логических отношений между объектами или понятиями. Типичный представитель – язык PROLOG; обработка запросов характерна для объектно-ориентированных языков типа SMALLTALK; представление знаний в виде фреймовых или сетевых структур. Представителями являются языки KRL; FRL, KL-ONE. В ЭВМ широко используются языки LISP и PROLOG. Для этой цели создаются специализированные процессоры, аппаратно реализующие многие функции указанных языков. Такие процессоры имеют нетрадиционную архитектуру и называются LISP-машинами и PROLOG-машинами. 2.2.4. УПРАВЛЕНИЕ ШАГАЮЩИМИ РОБОТАМИ Наиболее важным классом робототехнических средств являются шагающие роботы, представляющие собой сложную управляемую механическую систему с большим числом степеней свободы и разветвленной сенсорной системой. Интерес к созданию шагающих роботов обусловлен рядом их преимуществ по сравнению с колесными и гусеничными аппаратами. Наиболее существенным из них является широкая возможность адаптации к рельефу местности, что обеспечивает повышенную проходимость и высокую комфортабельность при движении по сильно пересеченной местности. Кроме того, шагающий робот существенно меньше повреждает почвенный покров. Эти качества определяются: дискретностью колеи шагающего робота; большим числом степеней свободы конечностей, активная работа которых позволяет преодолевать неровности дороги и перемещать корпус по гладкой кривой. Одной из первых попыток, направленных на создание транспортного устройства шагающего типа, была предложенная П. Л. Чебышевым машина, которая имела в своем составе четыре двухзвенных механизма. Эта машина положила начало конструированию шагающих устройств на основе траекторного синтеза, при котором координация движения конечностей осуществляется механическим способом с помощью многозвенных кинематических цепей. Однако траекторный синтез с жесткой программой движения на механической основе не получил дальнейшего развития, так как синтезируемые с его помощью системы оказывались громоздкими, многозвенными, со сложной структурой и кинематикой, с низкой приспособляемостью к непрерывно меняющимся внешним условиям. 33 Более простым подходом стал такой способ конструирования шагающих устройств, при котором частично копируется структура конечностей живых организмов. Упрощение достигается за счет копирования только части конечности с уменьшенным числом звеньев, другими типами пар и меньшим числом степеней свободы системы. Но использование такого упрощения имеет одновременно и отрицательное влияние, так как неполная копия, как правило, не позволяет получить идеальную траекторию опорных точек. Поэтому структурное копирование применяется лишь для решения простейших задач передвижения (шагающие экскаваторы). Таким образом, центральной задачей построения шагающих устройств является создание высокоэффективных систем управления движением. 2.2.5. ГРУППОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ РОБОТАМИ Рассмотрим проблему группового управления в двух аспектах. Первый аспект системотехнический – включает в себя вопросы информационно-технического интерфейса и вопросы синхронизации работы разнородного оборудования, входящего в состав робототехнического комплекса, гибкой производственной ячейки, участка, цеха и т. п. Второй аспект включает в себя вопросы координации движений группы роботов, манипуляторов, многозвенных захватных устройств («пальцев рук») с целью уклонения от столкновений при выполнении той или иной технологической задачи. Под групповым управлением роботами понимают координированное управление движущимися объектами. При таком управлении оборудованием проблема организации взаимосвязанного функционирования различных устройств комплекса заключается в сложности программирования и синхронизации их работы. Сложность программирования и синхронизации определяется разнородностью обрабатываемых данных в системе группового управления, что требует определенной стандартизации процедур передачи и обработки данных. Передача данных в производственной системе между управляемыми и ведущей ЭВМ осуществляется, как правило, на основе протокола, определяющего структуру передачи, максимальные пределы времени, код и формат передаваемых данных. Помимо необходимости согласования физических параметров интерфейса возникает необходимость согласования параметров на уровне информационного взаимодействия. С этой целью разрабатываются устройства, выполняющие функции промежуточного хранения данных, связи с оператором, регистрации рабочих параметров, концентрации, т. е. подсоединения нескольких систем управления. Намечается тенденция к применению «открытых» систем группового управления, в которых могут использоваться приборы, оборудование и вычислительная техника различных заводов-изготовителей. Простыми средствами 34 связи и управления, обеспечивающими развитие структуры и высокие скорости обработки информации в неоднородных вычислительных системах, являются локальные сети ЭВМ. Необходимость координации действий промышленных роботов возникает при непосредственной передаче деталей роботами друг другу, совместной работе над деталью или узлом (например, при механообработке или сборке), а также при взаимном уклонении от столкновения в ходе выполнения роботами независимых задач. Аналогичные задачи координации возникают при управлении захватным устройством с несколькими многозвенными пальцами. Подходы к решению проблемы координации. Координация роботов подразумевает две фазы: моделирование движения роботов в динамической среде для прогнозирования возможных столкновений и управление роботами, обеспечивающее упреждение столкновений и обход препятствий. Основой координации движений является выбор стратегии уклонения роботов. При этом используются эвристики различной сложности в зависимости от характера решаемой технической задачи. Основным подходом, используемым для решения задач автоматического уклонения, служит геометрическое моделирование, которое позволяет визуализировать движение каждого робота в трехмерном пространстве и комбинировать аналитическое программирование с графическим программированием движений на экране дисплея. Решение задачи автоматического управления уклонением роботов связано с решением двух подзадач – планирования траекторий и программирования движений роботов. Различают методы глобального и локального планирования траекторий. Глобальное планирование и связанное с ним прогнозирование столкновений осуществляются для всей рабочей зоны роботов. Локальное планирование характерно для текущего положения каждого робота. 2.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛОКАЛЬНЫЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ГИБКИМИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ СИСТЕМАМИ Гибкая производственная система – это не только объединение общей транспортной системой станков с ЧПУ, склада и гибких производственных модулей с манипуляторами. Принципиально новый подход управления основан на использовании локальной вычислительной сети (ЛВС) для передачи информации между различными иерархическими уровнями подготовки и управления производством ГПС. Отдельные подсистемы ГПС (управления станком, складом, транспортом и т. д.) на этапе выполнения операции функционируют асинхронно. Это управление реализуется находящимися у оборудования системами ЧПУ, в которые по локальной вычислительной сети передана программа функционирования. Согласование работы этих устройств возлагается на одну или несколько 35 ЭВМ верхнего ранга, связанных с территориально распределенными устройствами ЧПУ. Локальные вычислительные сети позволяют эффективно выполнять обмен информацией между различными иерархическими уровнями ГПС. При этом объем и срок хранения информации на верхних уровнях больше. Для каждого иерархического уровня характерна своя собственная структура информационных связей, которая предъявляет соответствующие требования к системам передачи данных, протоколам связи и интерфейсам ЛВС. Современный уровень технологии интегральных схем и каналов связи позволяет создавать локальные вычислительные сети с разной топологией (шина, дерево, кольцо и др.), разными методами доступа, разными средами передачи (витые пары, коаксиальные кабели и др.). Большое разнообразие вариантов вызывает появление разных несовместимых ЛВС. Поэтому стандартизация в этой области приобретает большое техникоэкономическое значение. Кроме решения задачи управления ГПС, создание ЛВС позволяет увеличить общую вычислительную мощность для комплексов CAD/CAM. При этом ЭВМ, входящие в локальную вычислительную сеть, могут иметь ориентацию на решение разных задач либо на выполнение общих функций. Объединение ЭВМ в распределительные вычислительные системы коллективного пользования позволяет: расширить набор аппаратных и программных средств обработки, хранения и отображения данных; повысить эффективность использования некоторых дорогостоящих, в отдельных случаях уникальных, специализированных устройств обработки, хранения и отображения данных; обеспечить преемственность между аппаратным и программным обеспечением ЭВМ различных поколений; постепенно наращивать мощность системы по мере увеличения нагрузки на нее. Кратко рассмотрим основные топологии локальных вычислительных сетей. В кольцевой циклической сети каждый процессор (устройство ЧПУ, ЭВМ) соединяется с двумя соседними через интерфейс, выполняющий функции приемопередатчика (рис. 2.1, а). Передача сообщений в сети осуществляется в одном направлении. Сообщения вводятся в сеть задающим процессором и передаются от процессора к процессору до тех пор, пока они не вернутся вновь к задающему процессору, который выводит их из сети. Адрес назначения содержится в сообщении. Процессор, опознав себя по адресу, записывает это сообщение по мере прохождения его через сеть. 36 а б в г Рис. 2.1. Топологии локальных сетей: а) кольцевая с однонаправленной передачей информация (указано стрелками); б) петлевая с перекрестными связями в обоих направлениях; в) звездообразная (радиальная); г) с общей шиной; Р – процессор: I – интерфейс; N – центральный узел; А – общая шина; В – общая память В кольцевых двунаправленных и петлевых сетях во избежание конфликтных ситуаций из-за одновременного возникновения запросов на обращение к ресурсам сети может применяться схема состязаний, называемая схемой эстафетной передачи маркера управления или схемой маркерного доступа. Эта схема работает следующим образом: по сети циркулирует, поступая поочередно в каждый узел кольца, специальная двоичная последовательность, называемая маркером. Когда ЭВМ становится обладателем маркера, она получает право передавать данные по сети (пока не передаст свой маркер как эстафетную палочку). Включение в подобную кольцевую сеть дополнительной ЭВМ требует прокладки новых каналов. Отказ любой части сети вызывает останов всей системы. В петлевой сети с полной взаимосвязью каждое устройство соединено со всеми (или несколькими) остальными (рис. 2.1, б). Сообщения между 37 устройствами могут переходить на линию связи между ними и транзитной передачи не требуется. Возможности модернизации этой сети низкие, так как добавление n-го процессора требует добавления п–1 дополнительных каналов связи. Следовательно, увеличение числа взаимосвязей повышает затраты на создание сети. Надежность сети высокая, и неисправный процессор можно легко изъять без изменения структуры сети. Кроме того, имеется возможность обходить вышедший из строя канал связи путем коммутации сообщения, но это значительно усложняет логику сети. Звездообразная топология (рис. 2.1, в) предполагает соединение с центральной ЭВМ в одной точке сети, и весь график сети проходит через этот центральный узел. Подобный центральный узел звездообразной сети относительно просто реализовать, и он обходится недорого как с точки зрения аппаратных, так и программных средств. Поскольку каждый узел связывается с центральным собственным каналом передачи данных, совокупная пропускная способность звездообразной сети оказывается более высокой, чем многих других сетевых топологий. При этом ее размеры и пропускная способность непосредственно определяются вычислительной мощностью центрального узла. Однако этот узел является в то же время и критическим звеном сети с точки зрения надежности; если он выходит из строя, вся система теряет работоспособность. Сеть с топологией шины (моноканала) (рис. 2.1, г) образуется при подключении устройств к одному физическому каналу. Как и в кольцевой сети, сообщения, передаваемые по шине, поступают на интерфейсы всех устройств; однако эти сообщения не приходится повторять (ретранслировать), и здесь нет задержек на ретрансляцию. Конфигурацию сетей-шин можно также легко адаптировать для большинства реальных физических топологий, поскольку кабели прокладывать просто. Пассивная роль узлов сети-шины позволяет системе сохранять работоспособность при выходе из строя отдельных узлов. В схеме с топологией шины применяется, как правило, либо схема коллективного доступа с контролем несущей и обнаружением или исключением столкновений, либо протокол маркерного доступа. Сообщение передается непосредственно от одного устройства к другому или к промежуточному запоминающему устройству, из которого оно запрашивается соответствующим процессором по мере надобности. Для разделения общей шины данных между всеми процессорами необходима распределительная схема. Сеть с общей шиной данных обладает большой гибкостью, поскольку можно легко подключить дополнительные процессоры. Логика несложная вследствие простой структуры, но надежность низкая из-за вероятности выхода из строя общей шины данных или запоминающего устройства, если его применяют. Полоса частот шины данных является потенциально узким местом, а по мере расширения сети может 38 возникнуть необходимость переконструировать шину связи вследствие ее насыщения данными. Для оценки наиболее целесообразной топологии необходимо учесть степень использования информации, хранящейся в ЭВМ верхнего ранга другими ЭВМ и устройствами нижнего уровня. Протоколы сети должны предусматривать как удобный доступ к базе данных, так и управление доступом для исключения потери данных. В крупных ГПС, а также в тех которые, связанны с учрежденческими сетями при высоких требованиях к быстродействию, наиболее эффективны сети с топологией шины (моноканал) и кольца. Физический уровень локальной сети. В каналах ЛВС применяют коаксиальный кабель, витую пару проводов, оптоволоконные линии. Коаксиальный кабель может быть разделен на сегменты и секции. Каждый сегмент длиной до 500 м может содержать до сотни приемопередатчиков и ответвителей. Сегменты объединяются в секции с общей длиной кабеля до 2 100 м. Длина кабеля в сегменте и секции зависит от возможностей кабельных усилителей приемопередатчиков. Для световодов применяют аналогичную структуру соединений, только в качестве приемопередающих устройств сегментов и секций используют фотоэлектрические преобразователи. При этом оптоволоконные линии связи с точки зрения помехозащищенности имеют решающее преимущество. Задания для самоконтроля 1. Варианты организации потока деталей в ГПМ. 2. Организация инструментального потока в ГПМ. 3. Цели и задачи контрольно-измерительной системы ГПМ. 4. Способы контроля процесса резания в ГПМ. 5. Поколения развития робототехники. 6. Особенности систем циклового управления промышленными роботами. 7. Специфика адаптивной системы управления промышленными роботами. 8. Сфера применения интеллектных систем управления промышленными роботами. 9. Аспекты проблемы группового управления промышленными роботами. 10. Использование ЛВС для управления ГПС. 11. Основные топологии ЛВС. 39 3. ОСНОВЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ 3.1. ПРОЦЕСС ПОДГОТОВКИ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ НА СТАНКАХ С ЧИСЛОВЫМ ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ Чтобы выяснить основные тенденции развития систем ЧПУ рассмотрим процесс подготовки управляющей программы для изготовления деталей на станках оснащенных, в первом примере, устаревшей (Н22, Н33), а во втором, современной (Fanuc OE) моделями ЧПУ. На основе рабочего чертежа детали технолог-программист разрабатывает технологический процесс изготовления детали (осуществляет выбор режущего инструмента, последовательность операций, режимы обработки, число установов и т.д.), на основе которого разрабатываются чертежи траекторий движения режущего инструмента. Далее, используя язык САПР, эти траектории описываются и кодируются на перфоленте, которая параллельно с данными конкретных станка и системы ЧПУ вводится в ЭВМ для корректировки и получения готовой управляющей программы в кадрах и кодах конкретной СЧПУ. На следующем этапе осуществляют проверку управляющей программы на специальном устройстве называемым координатограф или воспроизводят на экране графического дисплея контролируя сходимость по нулям всех координатных перемещений, правильность траекторий, кодировок, набивки, четности, упорядочности символов. После чего программоноситель с управляющей программой поступает на станок для обработки пробной детали. На всех этапах подготовки возможно возникновение ошибок, которые приходится исправлять, возвращаясь к соответствующему этапу, что хорошо видно на ниже представленном алгоритме (рис. 3.1, а). В процессе подготовки управляющей программы участвует несколько человек: конструктор (технологичность детали и правильность простановки размеров); технолог-программист; оператор набивающий перфоленту; оператор ЭВМ; оператор контрольной аппаратуры; оператор станка. Причем все они подчиняются трем различным службам (главному технологу, начальнику ЭВЦ, начальнику цеха) и зачастую территориально размещены в различных местах. Поэтому процесс получения годной детали занимает от нескольких дней до нескольких месяцев. Такой срок не отвечает требованиям производства и стремление к его сокращению является одним из факторов вызывающих развитие систем ЧПУ с появлением новых более мощных классов. Представителем одной из последних разработок является, вторая рассматриваемая нами, система ЧПУ японского концерна Fanuc. Алгоритм 40 процесса подготовки управляющей программы для системы Fanuc – OE представлен на рис. 3.1, б. а б Рис. 3.1. Алгоритмы подготовки управляющей программы для систем: а – Н22; б – Fanuc – OE Особенностью данной системы ЧПУ является наличие в ее постоянной памяти базы данных типовых переходов механической обработки, представленных в виде пиктограмм, таким образом, весь процесс создания управляющей программы сводится к последовательному вызову стандартных циклов и вводу требуемой размерной информации согласно технологическому процессу. Связанная с пиктограммами программа самостоятельно обрабатывает введенную информацию, создает участок управляющей программы и включает его в основную программу. Графотестирующий режим системы позволяет отобразить на мониторе траекторию движения режущего инструмента с подтверждением цифровой информации координатных перемещений. Таким образом, возникновение ошибки, при условии правильного ввода информации, возможно лишь только на этапе разработки технологического процесса, в силу того, что все процедуры связанные с созданием программы и ее кодировкой система управления реализует самостоятельно. 41 3.2. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА СИСТЕМЫ ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ Любую деталь можно представить в виде сочетания геометрических идеально точных объемов, ограниченных цилиндрическими, плоскими, винтовыми и другими поверхностями. Как известно в процессе изготовления детали возникают отклонения размеров, расположения поверхностей и их формы, кроме того, режущий инструмент создает шероховатость и волнистость, таким образом, реальные поверхности детали отличаются от номинальных. Следовательно, обеспечить максимальную степень приближения изделия к геометрически правильному его прототипу, описанному рабочим чертежом и техническими требованиями является основной геометрический задачей системы ЧПУ. Иными словами, достижение необходимой точности детали, невзирая на точность станка, есть основная геометрическая задача в использовании систем ЧПУ. При изготовлении деталей на станках с системами ЧПУ точность первых единиц партии получают, используя метод пробных проходов. Этот метод реализуют в процессе настройки станка на размер, когда согласовывают установку настроенного режущего инструмента, рабочего органа станка и базирующих элементов приспособления. В результате настройки режущий инструмент должен занять положение, при котором с учетом явлений, возникающих в процессе обработки, обеспечивается получение требуемого размера в пределах допуска на изготовление. Механизм метода заключается в следующем: 1) деталь устанавливается в приспособление; 2) режущий инструмент отодвигается от заготовки при помощи корректоров; 3) обрабатывается размер; 4) измеряется размер; 5) режущий инструмент перемещается так, чтобы при следующем проходе этой же поверхности получить размер в пределах допуска; 6) последующие заготовки обрабатывают в автоматическом режиме. 3.3. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМЕ ЧПУ В общем случае в системе ЧПУ информация, получаемая с рабочего чертежа детали, преобразуется последовательно в четыре этапа и пятым является отработка информации приводами станка. На 1 этапе выполняются преобразования информации, связанные с составлением программы, ее редактированием и запоминанием в ОЗУ, т. е. первое преобразование информации, заключается в запоминании программы обработки детали и исправлении всех ошибок. Все преобразования выполняются в произвольном масштабе времени и поэтому не требуют для своей реализации оборудования с большой вычислительной мощностью. 42 На 2 этапе выполняется преобразование отредактированной программы в вид, необходимый для следующего этапа преобразования геометрической информации с привязкой к реальному масштабу времени. Кроме того, тут же вычисляются вспомогательные величины, необходимые для реализации сложных функций: таких как угловых констант для винтовой интерполяции, величин для стабилизации ускорений и т. д. Все преобразования также выполняются в произвольном масштабе времени. По окончанию этого этапа информация, как правило, приобретает вид двоичного адресного кода. На 3 этапе преобразования осуществляется интерполяция заданных участков траектории в реальном масштабе времени. При этом обеспечивается поддержание постоянной контурной скорости, скорости резания, стабилизации ускорений и вычисляются моменты включения торможения. На этом этапе производится так же вычисление корректирующих поправок с одновременным суммированием вычисленных корректирующих приращений с приращениями основной программы. Именно этот этап требует максимальной вычислительной мощности. По его окончанию информация представляет собой воспроизводимые в реальном масштабе времени унитарные коды или многоразрядные кодовые посылки координатных перемещений. На 4 этапе происходит преобразование задающей информации в команду на движение рабочего органа станка. Для этого осуществляют преобразование задающей информации и информации, получаемой с датчиков обратной связи, в сигнал рассогласования, который используется для управления следящим приводом. На последнем, 5 этапе информация отрабатывается исполнительными приводами станка. Для этого используются, как правило, высокомоментными двигателями постоянного тока в комплекте с тиристорными или транзисторными преобразователями. 3.4. ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ Состояния любого технического устройства можно характеризовать одной или несколькими физическими величинами. Эти величины называются выходными переменными объекта. Их совокупность определяют как вектор выходных состояний объекта управления. Этот вектор должен удовлетворять определенным требованиям, предъявляемым как установившимся, так и динамическим режимам работы технического устройства. Совокупность предписаний, определяющих характер изменения вектора входных состояний объекта управления, называется алгоритмом его функционирования. Несмотря на многообразие технических устройств можно выделить 3 базовых алгоритма их функционирования. 43 Алгоритм стабилизации требует постоянства вектора выходного состояния объекта управления Y(t) и равенство его заданному значению Yz(t). Yz(t) = const. При этом заданное значение должно оставаться постоянным в течение достаточно долгого периода времени. Примером систем, в которых используется данный алгоритм, являются приводы главного движения станочного оборудования. Программный алгоритм, для которого характерно изменение вектора выходного состояния ОУ по известному закону или программе. В этом случае заданное значение вектора выходного состояния является известной функцией времени, то есть Yz(t) = Fz(t). Примером использования такого алгоритма являются системы числового программного управления. Следящий алгоритм работы ОУ характеризуется тем, что требуемый закон изменения вектора выходного состояния объекта заранее неизвестен. Следящий алгоритм может быть описан выражением: Yz(t) = F0(t), где F0(t) – неопределенная функция времени. Таким алгоритмом работы характеризуются системы наведения или слежения за состоянием объекта, изменяющегося по случайному закону. Например, системы компенсации износа режущего инструмента. а б в Рис. 3.2. Алгоритмы функционирования объекта управления а – стабилизация; б – программный; в – следящий Графическое представление алгоритмов функционирования для вектора выходного состояния, содержащего только одну компоненту, представлено на рис. 3.2. 44 3.5 ФОРМИРОВАНИЕ СИГНАЛА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ Определение текущего значения скорости рабочего органа технического объекта предусматривает комплексное использование информации об ошибке (рассогласовании) и величины заданной скорости. Расчет проводится следующим образом: за некоторый промежуток времени выбираются два значения рассогласования; из последующего значения вычитается предыдущее. Таким образом, получаем приращение скорости: E = E2 – E1, где E – разность рассогласований за фиксированный промежуток времени (характеризует скорость перемещения); Е1 – величина рассогласования в начальный момент времени; E2 – величина рассогласования в конечный момент времени. Если заданную скорость и полученное приращение привести к единому интервалу времени, то изменение скорости можно рассматривать как отношение текущего ее значения заданному. На основе получаемой с преобразователей перемещений сигналов формируется сигнал рассогласования. Структурная схема преобразователя сигнала приведена на рис. 3.3. На входы M1, M2 модуляторов подаются тактовая частота с генератора Fген, сигналы с соответствующих выходов блока управления (командная информация) и сигналы с датчика. Полученные сигналы поступают на входы делителей частоты Д1 и Д2 с одинаковыми коэффициентами деления K. Фазовый дискриминатор ФД формирует сигналы в соответствии с фазовым сдвигом, который образуется с появлением командных импульсов или импульсов с датчика обратной связи. Причем все эти импульсы определяют знак фазового сдвига. Рис. 3.3. Структурная схема преобразователя сигнала управления приводом Недопустимым является увеличение фазового сдвига более чем на K импульсов, т. е. должно выполняться условие 45 n < K, где n – число импульсов, определяющих величину фазового сдвига. Каждый добавленный (или вычтенный) импульс вызывает сдвиг по фазе на 1/ K периода сигнала с делителей, т. е. Δφ = Tдел / K, где Tдел – период следования импульсов с делителей частоты. При подаче командной информации происходит «вписывание» импульсов в соответствующий канал. Компенсировать полученный фазовый сдвиг можно путем вычитания из этого же канала такого же числа импульсов с датчика. Таким образом, командная информация вызывает появление сигнала с фазового дискриминатора, который управляет приводом. Датчик обратной связи формирует информацию об этой отработке и компенсирует фазовый сдвиг. Недопустимым для данной схемы является случай, когда фазовый сдвиг сигналов превысит полную фазу. В этом случае происходит потеря информации, т. е. за каждый период сигнала с делителей может быть прибавлено (вычтено) число импульсов не более K: n < K, где n – число прибавленных (вычтенных) импульсов за период. Следовательно, максимальная частота командных (или с датчика обратной связи) импульсов Fmax < Fтакт, где Fтакт – тактовая частота генератора. Для расширения технических возможностей ТС необходимо увеличивать тактовую частоту и коэффициент деления делителей. Однако повышение частоты ограничивается электрическими параметрами применяемых элементов, а с увеличением коэффициента деления уменьшается частота с дискриминатора, и при ее знечении ниже 200 Гц происходят нарушения плавности работы привода. Увеличение коэффициента деления приводит к снижению частоты импульсов с фазового дискриминатора, что приводит к нарушению плавности хода, обеспечиваемого приводом. Задания для самоконтроля 1. Алгоритмы подготовки управляющих программ для систем ЧПУ моделей Н22 и FanucOE. 2. Геометрическая задача системы ЧПУ и метод пробных проходов. 3. Этапы преобразования информации в системе ЧПУ. 4. Алгоритмы функционированияобъекта управления. 5. Формирование сигнала обратной связи. 46 4. ЭЛЕМЕНТЫ УСТРОЙСТВ ЧИСЛОВОГО ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ 4.1. УСТРОЙСТВА ВВОДА ПРОГРАММ Устройства ввода программ считывают информацию с программоносителя и передают ее в виде электрических сигналов в устройство управления станком или интерполирующее устройство. В настоящее время существует большое разнообразие этих устройств. Их конструкция зависит от программоносителя. Он чаще всего выпускается в виде перфоленты или магнитной ленты. Устройство ввода программы с перфоленты используется для контурных устройств ЧПУ со встроенным интерполятором, а также позиционных устройств ЧПУ. Информация с перфолент считывается последовательным и параллельным способами. При последовательном способе информация считывается построчно, т.е. после считывания одной строки программоноситель перемещается на шаг между строками и начинается считывание другой. Отработка кадра происходит после считывания информации со всего кадра. При таком методе считывания устройство ввода программы имеет небольшое число контактов (оно равно числу дорожек на перфоленте) и это упрощает его конструкцию. Однако для хранения считанной информации на время считывания и отработки кадра требуется запоминающее устройство. При параллельном способе одновременно считывается информация всего кадра и поэтому запоминающего устройства не требуется. Для считывания информации с перфолент применяются электромеханические и фотоэлектрические устройства, последние более совершенны и надежны и имеют скорость считывания 300…1 000 строк/с. Следует отметить, что, несмотря на большое распространение фотосчитывающих устройств, они имеют ряд недостатков, например, ограниченную надежность (примерно 25 % отказов в устройствах управления приходится на долю их и перфоленты) и невысокую стойкость, перфолент из бумаги (выдерживают не более 200 прогонов, а если на них попадают частицы масла или эмульсии, то они нуждаются в не медленной замене). Поэтому в настоящее время в УЧПУ используют встроенные блоки электронной памяти, позволяющие; запоминать всю программу управления для обработки относительно сложных деталей. Устройства ввода программы с магнитной ленты. В них применяются магнитные ленты шириной 19 и 35 мм, позволяющие записывать информацию на 4…12 дорожках одновременно. Магнитная лента обычно перемещается со скоростью 100…200 мм/с. Магнитная лента используется для управления металлорежущим оборудованием и промышленными роботами. Она обладает рядом достоинств, например долго сохраняет магнитную запись, может многократно 47 применяться как программоноситель при сохранении требуемого качества записи. Металлорежущее оборудование, управляемое от магнитной ленты, целесообразно использовать для обработки деталей с относительно небольшим циклом обработки (обычно до 20… 55 мин). Основное достоинство дешевизна. В современных УЧПУ как правило, для ввода информации используют параллельный интерфейс связи с ЭВМ. При этом код программы хранится на различных источниках информации: магнитных дисках; оптических дисках; Flash-картах. 4.2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ДАТЧИКИ В системах управления ТС для получения необходимой информации о параметрах протекающего ТП используют различные датчики. Датчики обратной связи являются неотъемлемой частью замкнутых устройств ЧПУ и используются для косвенного контроля размеров обрабатываемой детали. При этом они осуществляют измерение перемещений рабочего органа станка и преобразовывают результаты измерения в электрические импульсы обратной связи. Различают датчики перемещения, положения, скорости, ускорения и др. По способу получения информации датчики подразделяются на дискретные, фазовые и амплитудные. По способу преобразования информации – на контактные и бесконтактные (емкостные, фотоэлектрические, индуктивные и др.). По конструкции датчики подразделяются на линейные и роторные. Линейные датчики используются для измерения линейных перемещений, а роторные для угла поворота контролируемых элементов. Датчики обратной связи присоединяются либо непосредственно к рабочим органам станка, либо к промежуточному звену механизма передачи движения к рабочему органу (например, к ходовому винту). Точность контроля при этом бывает тем выше, чем ближе к рабочему органу станка в цепи движения устанавливается датчик обратной связи. Это объясняется тем, что исключается часть погрешностей, вносимых люфтами и отжимами промежуточных звеньев цепи подачи. Кроме этого датчики обратной связи можно классифицировать по принципу измерения перемещений (т. е. по абсолютным значениям или приращениям от нулевой точки), они подразделяются на абсолютные и циклические. Абсолютные датчики обеспечивают показания значений текущих координат относительно принятого на станке начала координат по всей длине измеряемого участка. Их характерной особенностью является то, что они обеспечивают каждому значению контролируемого перемещения единственное значение выходного сигнала. К этой разновидности датчика 48 относятся емкостные (с переменным зазором), магнитные (с переменным воздушным зазором) и др. Циклические датчики характеризуются тем, что у них изменение параметров выходного сигнала в функции смещения или вращения измеряемых элементов носит циклический характер, т. е. принимает одни и те же значения в различных точках участка измерений. Выходной сигнал циклического датчика может однозначно определить положение каждой точки измеряемого элемента, только при наличии в измерительной системе счетчика полных циклов, предопределяющих моменты измерения положения рабочего органа станка. Циклические датчики в настоящее время являются наиболее распространенными. Датчик является измерительным прибором, и характеризуются рядом метрологических характеристик, например величиной контролируемого перемещения, точностью датчика и др. Дискретность (цена одного импульса) зависит как от самого датчика, так и от устройств, с которыми он связан. Точность датчика определяется конструктивными особенностями: структуры электронной схемы, преобразователя его сигнала, ее помехозащищенности и др. При создании преобразователей сигнала датчика используется большое количество различных схемотехнических решений. Вместе с тем, как показывает практика последних лет, наибольший вклад в развитие цифровых преобразователей перемещений (ЦПП) вносит микроэлектроника, применение которой позволяет кардинально решить проблему технологичности, обеспечив максимальное упрощение, как правило, прецизионных механических узлов. Поэтому современный ЦПП состоит из относительно простого, насколько это возможно для обеспечения заданной точности, электромеханического первичного преобразователя, непосредственно воспринимающего измеряемое перемещение, и вторичного преобразователя – электронного узла, обрабатывающего полученную информацию и представляющую ее в цифровой форме. Основными характеристиками датчика являются следующие параметры: чувствительность датчика – это отношение изменения ΔY выходного сигнала к изменению X контролируемой величины Y  ; X порог чувствительности – величина минимального перемещения, которое может быть надежно и достоверно преобразовано в изменение соответствующего физического параметра; величина контролируемого перемещения – это максимальная величина линейного или углового перемещения, которая может быть преобразована в данном датчике в изменение соответствующего параметра. точность датчика определяется максимальной погрешностью по всей длине контролируемого перемещения. 49 стабильность работы датчика определяется максимальной разностью значений переменного параметра, которая соответствует одной и той же величине контролируемого перемещения, осуществляемого многократно. 4.2.1. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В настоящее время широкое распространение получили фотоэлектрические преобразователи, в которых использован принцип модуляции светового потока с помощью растрового сопряжения. В зависимости от величины расположения в пространстве линейки и диафрагмы растровое сопряжение может быть нониусным, обтюрационным или муаровым. Оптическая форма представления информации сигнала наиболее удобна для отображения величины угла поворота вала, так как процесс получения информации не нагружает вал каким-либо моментом, а точность элементов оптических преобразователей весьма высока. Цифровая форма представления информации гарантирует высокую помехоустойчивость. Работа фотоэлектрической части преобразователей основана на использовании явления фотоэффекта, возникающего при попадании светового потока, прошедшего через прозрачные участки кодовых шкал, на фотоэлементы, преобразующие изменение светового потока в фототок, служащий исходным электрическим сигналом для последующих схем. Такие преобразователи получили широкое распространение, так как при относительно небольших размерах позволяют добиться высокой точности преобразования информации. Если на диск нанесена маска, соответствующая одному из кодов, применяемых для повышения помехоустойчивости и надежности считывания, то в схеме предусматривают декодирующее устройство, преобразующее этот код в обычный, двоичный код. Кодирующие диски фотоэлектрических преобразователей выполняют из оптического стекла, на которое фотохимическим способом наносят маску в виде концентрических дорожек с прозрачными и непрозрачными для светового излучения участками. Количество таких дорожек и ширина кодовых участков определяются разрешающей способностью преобразователей и видом выбранного кода. При кодировании устанавливается соответствие между каждым уровнем квантования и некоторой кодовой комбинацией или группой. Кодирование ведется либо по методу последовательного счета элементарных приращений преобразуемого сигнала, либо по методу позиционного считывания кода, формируемого для каждой выборки преобразуемого сигнала. При кодировании по методу позиционного считывания кодовые комбинации для всех уровней шкалы воспроизведены заранее. При этом преобразователь должен иметь число кодовых дорожек, равное разрядности считываемого двоичного числа. 50 Оптические преобразователи угловых и линейных величин в цифровую форму делят на две основные группы: последовательного счета штрихов и позиционного считывания кодов по кодовой маске. Точность в первой группе ограничивается числом штрихов на измерительной линейке или лимбе, во второй группе – числом кодовых дорожек, соответствующих числу разрядов. Повышение точности достигается использованием системы штрихов на двух лимбах, образующих растровый интерполятор. Растровый принцип основан на появлении муаровых колец, расположение которых вдоль направления штрихов позволяет проводить интерполяцию в увеличенном масштабе по сравнению с расстоянием между штрихами. Обычно в растровом интерполяторе производится измерение фазы периодической функции освещенности муаровой полости по методу позиционного считывания. Число муаровых полос, измеренное по методу последовательного счета, также может нести информацию об опорных точках функции, подлежащей последующей интерполяции. Преобразователи, использующие метод последовательного счета числа приращений непрерывного сигнала, можно разделить на два типа: циклические и накапливающие. Преобразователь накапливающего типа реагирует не на угловое положение, а на приращение углового положения вала. При этом реверсивный счетчик, присоединенный к преобразователю, управляется сигналами с нескольких фотоприемников, позволяющих учесть направление вращения вала, а угол поворота определяется по алгебраической сумме импульсов, принятых счетчиком. При кодировании линейного перемещения используют широко применяемые в оптике дифракционные решетки, разрешающая способность которых в настоящее время достигает 1000 штрихов на 1 мм и более. Преобразователи позиционного растрового считывания имеют кодовую шкалу, механически связанную с входным валом, и набор фотоэлементов. Цифровой код, сформированный на выходе преобразователя, снимается с фотоэлементов для последующей обработки. Преобразователи считывания подразделяются на две подгруппы: параллельного считывания и последовательного считывания. Разница между ними заключается в том, что при параллельном считывании производится одновременный опрос фотоэлементов, а при последовательном – последовательный. Устройство фотоэлектрического преобразователя перемещений представлено на рис. 4.1. Основными частями его являются: 1 – источник света; 2 – линейка с рисками; 3 – диафрагма (шторка); 4 – блок фотоэлементов. В фотоэлектрическом преобразователе перемещений (рис. 4.1.) линейка является неподвижным элементом датчика и жестко связана с неподвижным элементом станка. Источник света, диафрагма, блок фотоэлементов жестко связаны между собой и образуют подвижную часть датчика, 51 установленную на подвижном элементе станка с ЧПУ, перемещение которого контролируется. На линейке равномерно нанесены штрихи, образующие непрозрачные и прозрачные для света зоны, через которые свободно проходит свет. Параллельно линейке расположена диафрагма с четырьмя группами рисок, имеющих такие же геометрические параметры, как и на линейке, но по фазе каждая группа имеет сдвиг относительно друг друга, равный π/2. Против каждой группы элементов расположен фотоэлемент. Таким образом, если первый фотоэлемент максимально освещен (риски линейки совпадают с рисками шторки), то третий будет полностью затемнен (прозрачные области линейки совпадают с непрозрачными областями шторки) вследствие сдвига третьей группы рисок относительно первой на фазу π(π/2 + π/2). Рис. 4.1. Устройство фотоэлектрического преобразователя. 1 – источник света; 2 – линейка с рисками; 3 – диафрагма (шторка); 4 – блок фотоэлементов. При равномерном перемещении диафрагмы выходные напряжения фотоэлементов будут меняться. Сигналы с фотоэлементов суммируются попарно: U1 и U2; U3 и U4. Эта операция позволяет избежать влияния изменения яркости источника света на постоянную составляющую сигнала. При синхронном изменении освещенности фотоэлементов меняется только амплитуда пилообразного напряжения. При этом постоянный ток фотоэлементов (остаточный или темновой ток) взаимокомпенсируется. Преобразование сигналов с фотоприемников производится двумя способами – фазовым или на основе прямого отсчета. В фазовых преобразователях происходит опрос каждого фотоэлемента, а полученные сигналы суммируются. Сигналы на разных этапах его преобразования представлены на рис. 4.2. 52 a б в г Рис. 4.2. Форма выходных сигналов преобразователя перемещений: а – на этапе модулирования светового потока; б – опроса фотоэлементов; в – после интегрирования; г – после прохождения сигнала через триггер; При смещении шкалы на величину одной фазы сигнал также смещается на фазу (2π). Структурная схема формирователя импульсов показана на рис. 4.3. И – интегратор, T – триггер, ФД – формирователь импульсов. Выходная информация формируется в виде импульсов (выход B+ или В– в зависимости от направления движения). Импульсы с генератора Г поступают на делитель частоты Д1 и одновременно последовательно на суммирующее (+) и вычитающее (–) устройства. С делителя частоты импульсы поступают на датчик Д, с которого полученный сигнал поступает на генератор И, затем через триггер Г на первый вход дискриминатора Д2. Одновременно с выхода устройства вычитания импульсы через делитель, идентичный первому, поступают на его второй ход. При наличии перемещения рабочего органа ТС на выходе датчика входящие импульсы получают фазовый сдвиг, который регистри- 53 руется фазовым дискриминатором. Соответствующая информация формируется на выходах B+ и В–. Рис. 4.3. Структурная схема преобразователя сигналов датчика обратной связи Таким образом, за один оборот вала датчика формируется количество импульсов nимп = т  Kдел, где nимп – количество импульсов за один оборот; т – число щелей; Кдел – коэффициент деления делителей. На датчик поступают импульсы с частотой Fзап = Fгенер / (4Kдел), где Kдел – коэффициент деления преобразователя сигнала датчика. Из условия допустимой динамической ошибки отклонение частоты от частоты запитки (Fзап) составляет не более 10 % (0,1 · Fзап), следовательно, за 1 с можно получить число импульсов nф = 0,1 · Fзап, отсюда число оборотов nmax (с-1) вала датчика (максимальное) можно представить следующим образом: nmax = nф / Kшк, где Kшк – количество щелей на шкале датчика. Максимальная частота информации, поступающей на преобразователь сигнала привода с датчика Fmax = n  nф  Kдел. При определении коэффициента деления Kдел необходимо учитывать точность изготовления шкалы и других элементов датчика. Величина дискреты внутри одного шага шкалы должна быть больше величины ее неравномерности, т. е. должно выполняться неравенство L / Kдел  , где L – шаг шкалы датчика; δ – максимальное значение погрешности шкалы датчика. Максимальная частота вращения вала датчика ограничена частотой его импульсов (определяется скоростью перемещения) и не должна пре- 54 вышать частоту опорных импульсов с генератора. При этом должно выполняться следующее условие: Fшк < Fзап, где Fшк – частота следования импульсов от шкалы датчика; Fзап – частота запитки электронных ключей опроса фотоприемников датчика (Fзап = Fген / Kдел). Если датчик роторного типа, то максимальная частота вращения вала датчика nоб.в.датчика  nшк < Fзап, (4.1) где nшк – число щелей шкалы датчика. При отсутствии движения подвижного элемента датчика функция, описывающая выходной сигнал с фотоприемников, имеет вид: f0(t) = C, где С – некоторая постоянная величина, определяемая текущим положением вала датчика. Функция, описывающая выходной сигнал после интегрирующего устройства, имеет вид:  f 0 (t )dt  CX , где X – переменная, линейно зависящая от времени. Описанная функция представляет собой отрезок прямой линии, имеющей некоторый (определяемый коэффициентом С) наклон к горизонтальной оси времени. В этом случае динамическая ошибка отсутствует. При вращении вала датчика функция, описывающая выходной сигнал фотоприемников, имеет вид: в случае равномерного движения f1(t) = C1X2 / 2, в случае равноускоренного движения f2(t) = C2X2 / 3. При этом возникает динамическая ошибка, обусловленная нелинейностью получаемого сигнала. Эта ошибка сильнее проявляется при обработке криволинейного участка контура и меньше в случае перемещения по прямолинейному участку. В связи с этим при холостых ходах, обработке прямолинейных участков можно допускать большую величину контурной скорости (большую девиацию частоты), а при обработке криволинейных поверхностей – меньшую (в зависимости от требуемой точности). Таким образом, формулу (4.1) можно представить в следующем виде: nоб.в.датчика < Fген · 100/(nшкKделM), где M – максимально допустимая девиация частоты, определяемая требуемой точностью отработки командной информации, %. Для данной схемы преобразования величина девиации не может превышать 100 %. При прямом методе преобразования сигнала фотоэлектрические датчики содержат модулятор светового потока, который формирует два гармонических сигнала, сдвинутых на угол π/2. Выходные электрические сигналы в этом случае должны соответствовать следующим выражениям: 55 UA(φ) = U sin() + Uсм; UВ(φ) = U cos() + Uсм, где UA(φ) – текущее значение сигнала фазы А; UВ(φ) – текущее значение сигнала фазы В; U – амплитудное значение выходных сигналов; φ – текущее значение угла поворота вала датчика; Uсм – напряжение смещения. Однако практически из-за погрешностей изготовления элементов узла модулятора, различий в характеристиках электронных преобразовательных элементов реальные сигналы будут описываться следующими выражениями: UAP(φ) = U1 sin() + U3; UBP(φ) = U2 cos( + ) + U4, где U3, U4 – произвольные значения смещений фазовых сигналов; UAP(φ) – текущее значение реального сигнала фазы А; UBP(φ) – текущее значение реального сигнала второй фазы В; U – произвольные амплитудные значения соответственно сигналов первой и второй фаз. В результате несоответствия реальных сигналов требуемым сигналам происходит искажение выходных сигналов, что приводит к снижению точности отсчета и надежности работы преобразовательного устройства. Для устранения этого недостатка используют схемное решение, позволяющее путем проведения дополнительных преобразований получаемых сигналов ликвидировать это несоответствие. В этом случае сигнал второй фазы формируют путем суммирования сигналов первой фазы, взятый с некоторым коэффициентом, и второй фазы. На этом этапе сигналы описываются следующими выражениями: UA = U1 sin() + U3; U1B(φ) = U2 cos( + ) + U4 ± (k  U1 sin() + U3) = U5 cos() + U6, где k – коэффициент изменения сигнала первой фазы. Далее выполняется выравнивание коэффициентов передач сигналов первой и второй фаз. На этом этапе сигналы описываются следующими выражениями: U2A = (U1 sin() + U3)  k1 = U sin() + U7; U2B = (U5 sin() + U6)  k2 = U sin() + U8, где k1 и k2 – регулируемые коэффициенты усиления усилителей. На заключительном этапе преобразований осуществляется выравнивание постоянной составляющей за счет добавления напряжения U9 и U10 соответственно в сигналы первой и второй фаз. U3A = U sin() + U7  U9 = U sin() + Uсм; U3В = U cos() + U8  U10 = U cos() + Uсм. Формирование выходных импульсных сигналов осуществляется с помощью триггеров согласно следующим выражениям: 56 1, при U 3 A ()  U оп1 ; U4A   0, при U 3 A ()  U оп1 , 1, при U 3 B ()  U оп2 ; U 4B   0, при U 3 B ()  U оп2 , где Uоп1 – пороговое напряжение первого триггера; Uоп2 – пороговое напряжение второго триггера. Осуществляемое таким образом формирование импульсного сигнала обеспечивает высокое быстродействие, которое определяется только характеристиками логических элементов. В этом заключается достоинство метода прямого преобразования сигналов по сравнению с другими методами, например, с фазовым методом преобразования. Число отсчетов при таком преобразовании определяется количеством дискрет линейки датчика. Существенно увеличить разрешающую способность датчика можно путем введения дополнительных преобразований сигналов первой и второй фаз. С этой целью оба аналоговых сигнала преобразуются в цифровой код. Далее в цифровом виде сигналы подаются на блок, осуществляющий деление синусного сигнала на косинусный. В результате чего получается новая функция – тангенс текущего угла. Проведя расчет обратной тригонометрической функции – арктангенса, получаем текущее значение угла поворота φ вала датчика: φ = arctg(A()/B()). Таким образом, формирование информации о текущем значении угла поворота вала датчика осуществляется параллельно двумя способами. Первый способ заключается в подсчете непосредственно импульсов, формируемых при переходе гармонических сигналов первой и второй фаз через порог срабатывания формирующего устройства. В этом случае определение величины перемещения осуществляется в относительной системе. Второй способ заключается в математической обработке текущих значений выходных сигналов первой и второй фаз. В этом случае определение величины перемещения происходит в абсолютной форме. 4.2.2. ДАТЧИК ТОКА Датчик тока (измерительный трансформатор тока) с фильтром, как элемент СУ, описывается дифференциальным уравнением вида: dU ост (  U ост  K дт  iя , 4.2) dt где Kдт – передаточный коэффициент датчика тока; iя – ток двигателя; Uост – напряжение на выходе; Тфост – постоянная времени фильтра в обратной связи по току. Т фост 57 При изменении тока двигателя iя изменяется напряжение на выходе Uост, тогда уравнение (4.2) в приращениях примет вид: dU ост  U ост  K дт  iя . dt Это уравнение в операторной форме записи представляется следующим образом: Т фост Т фост  s  U ост (s)  U ост (s)  K дт  iя (s) . Тогда передаточная функция датчика тока с фильтром примет вид: K дт U ост ( s) .  iя ( s) Tфост  s  1 Для практических расчетов можно пренебречь постоянной времени фильтра (Тфост = 0), тогда передаточная функция датчика тока примет вид безинерционного звена: Wост(s) = Кдт. Wост ( s)  4.2.3. ДАТЧИКИ СКОРОСТИ Наиболее широко применяемым в системах управления технологическим оборудованием датчиком скорости является тахогенератор, на выходе которого включается дополнительный фильтр. Эти элементы систем управления описываются следующим дифференциальным уравнением: dU осс (  U осс  K осс  ω , 4.3) dt где Kосс – коэффициент обратной связи по скорости; Тфосс – постоянная времени фильтра в обратной связи по скорости. Тахогенератор является безинерционным звеном (стг   = Uосс), а инерционность вносится за счет фильтра (Тфосс). При изменении скорости тахогенератора на  изменится и напряжение на выходе – Uосс. Тогда уравнение (4.3) в приращениях примет вид: Т фосс dU осс  U осс  K осс  ω , dt Переходя к операторной форме записи, получаем: Т фосс Т фосс  s  U осс (s)  U осс (s)  K осс  ω(s) , Преобразовывая это уравнение, получаем передаточную функцию обратной связи по скорости: Wосс ( s)  K осс ω( s)  . U осс ( s) Tфосс  s  1 58 4.2.4. ДАТЧИКИ ПОЛОЖЕНИЯ В подавляющем большинстве станочного оборудования с числовым программным управлением используются измерительные преобразователи перемещения с импульсным или цифровым выходными сигналами. К ним относятся измерительные электромагнитные, электромашинные и фотоэлектрические преобразователи перемещения исполнительного механизма. В подавляющем своем большинстве точное математическое представление измерительных преобразователей перемещения требует использование дискретной математики. Однако для широкого класса систем автоматического управления возможно представление таких устройств как безинерционных элементов с передаточной функцией вида: Nd 1 ,   dz где Nd – выходной сигнал измерительного преобразователя;  – угол поворота вала измерительного преобразователя; dz – разрешающая способность измерительного преобразователя перемещения. Разрешающая способность измерительных преобразователей, связанных с валом исполнительного механизма, определяется как W ( s)  2 , N где N – число меток измерительного преобразователя на один оборот его вала. dz  4.2.5 ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Тиристорный преобразователь, как элемент САУ, представляет собой импульсную систему, преобразующую входной управляющий сигнал (напряжение Uу) в функцию моментов отпирания тиристоров, изменяющую напряжение на входе двигателя (U), и описываемую дифференциальным уравнением: dU (  U  K òï  U ó , 4.4) dt где Tтп – постоянная времени тиристорного преобразователя для мостовой полностью управляемой схемы Tтп  0,0035 сек; Kтп – передаточный коэффициент тиристорного преобразователя, Kтп = (0,2…0,25)  U2ф. При изменении напряжения управления на некоторую величину Uy изменяется напряжение на входе двигателя U. Тогда уравнение (4.4) примет вид: Tòï Tòï d U  U  K òï  U y . dt 59 Переходя к операторной форме записи, получаем: Òòï  s  U (s)  U (s)  K òï  U y (s). Отсюда выражение для передаточной функции тиристорного преобразователя принимает вид: Wòï ( s)  U ( s) K òï  . U y ( s) Tòï  s  1 4.2.6. ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Широтно-импульсный преобразователь (ШИП) представляет набор электронных ключей, обеспечивающих импульсное изменение напряжения на нагрузке, подключенной к выходу этого преобразователя. В современной технике частоты коммутации ШИП лежат в пределах (2…50) кГц. Поэтому запаздывание в такой системе принимается равным нулю. Во многих приложениях ШИП представляется как безинерционный элемент с передаточной функцией Wpwm(s) вида: Wpwm ( s)  U 0 ( s)  k pwm , U c ( s) где U0(s), Uc(s) – величины приращений изображений выходного и входного сигнала ШИП соответственно. Более точное представление процессов в системах управления, содержащей ШИП, может быть получено с использованием дискретного преобразования Лапласа. Задания для самоконтроля 1. Устройства ввода программ. 2. Классификация и технические характеристики измерительных преобразователей и датчиков. 3. Устройство фотоэлектрического преобразователя. 4. Математическая модель датчика тока. 5. Математическая модель датчиков скорости. 6. Математическая модель датчиков положения. 7. Математическая модель терристорного преобразователя. 8. Математическая модель широтно-импульсного преобразователя. 60 5. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ 5.1. ЭЛЕМЕНТЫ ПРИВОДА ГЛАВНОГО ДВИЖЕНИЯ При проектировании систем управления ТС большое значение имеет выбор приводов главного движения. Назначение приводов главного движения подачи в ТС с системой программного управления заключается в том, чтобы обеспечить выполнение ТП с максимальной производительностью при заданных значениях точности и качества его выполнения. Точность следящей системы определяет ее способность выполнять требуемые условия работы в различных режимах вне зависимости от изменения внешних возмущающих факторов. Точность следящих систем характеризуется статической и динамической ошибками. Динамическая ошибка – разность между заданным и текущим значениями воспроизводимой величины в период отработки управляющей информации рабочими органами ТС. Наибольшее значение для СУ имеют динамические ошибки, возникающие при внезапном изменении скорости входного сигнала, например, от нуля до максимума (или наоборот) за достаточно малое время, сравнимое со временем переходных процессов в СУ, что происходит, например, при обходе траектории в виде угла или дуги малого радиуса. Точность воспроизведения заданной программы вдоль каждой из координат зависит как от вида заданной программы (входной функции), так и от статических и динамических характеристик следящего привода, в частности от коэффициентов усиления и быстродействия. Статическая ошибка – это установившееся значение разности между заданным и конечным значениями воспроизводимой величины при постоянном управляющем или возмущающем воздействии. Статическая ошибка полностью определяет точность следящих приводов координатных станков и является одной из составляющих ошибок для станков контурного и объемного воспроизведения. Статическая ошибка складывается из нескольких составляющих, основные из которых: ошибка датчика положения; ошибка, связанная с наличием люфтов в кинематической цепи между датчиком положения и управляемым органом станка (режущий инструмент, заготовка и т. д.); ошибка, вызванная дрейфом нуля усилительного канала; ошибка, обусловленная гистерезисом усилительных элементов СУ; ошибка, вызванная действием статического момента нагрузки при трогании (усиления трения в направляющих, усилия резания). Статическая погрешность СУ определяет неточность многократной установки координаты управляемого объекта в какую-либо точку, т. е. опре- 61 деляет стабильность ее функционирования. Эта ошибка складывается из зоны нечувствительности СУ, дрейфа нуля на выходе преобразователей и т. д. В качестве исполнительных преобразователей СУ, при выполнении необходимых технологических операций, могут использоваться: электрические машины, гидравлические и пневматические преобразователи, нагревательные и акустические приборы. В технологическом оборудовании, используемом в механообработке, наиболее часто применяются электродвигатели постоянного тока, асинхронные электродвигатели и синхронные электрические машины, работающие в режиме бесконтактного двигателя. Рассмотрим их основные характеристики. 5.1.1 ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА Двигатель постоянного тока, как элемент СУ, описывается дифференциальными уравнениями якорной цепи и механической части двигателя: diÿ  U  i R  L  Cå; ÿ ÿ ÿ  dt  C (i  i )  J d  ,  ì ÿ ñ dt где Lя, Rя – соответственно индуктивность и активное сопротивление якорной цепи; iя, iс, – соответственно ток якорной цепи и ток нагрузки; Се, См – конструктивные постоянные двигателя; J – момент инерции двигателя;  – частота вращения двигателя. При изменении напряжения на входе двигателя на некоторую величину U изменяются ток двигателя iя и частота вращения двигателя  и, пренебрегая обратной связью по противоЭДС двигателя (Се  ), получаем уравнения якорной цепи и механической части двигателя в приращениях: d iÿ   U   i R  L  Cåω; ÿ ÿ ÿ  dt (5.1)  d  ω C (i  i )  J . ÿ ñ  ì dt Преобразовывая уравнения (5.1) и, считая iс = 0, переходим к операторной форме записи данных уравнений: U ( s)  iÿ ( s) Rÿ  Lÿ siÿ ( s); (5.2)  Cì iÿ ( s)  Jsω( s). Из уравнений (5.2) получаем выражения для передаточных функций якорной цепи и механической части двигателя: 62 iÿ ( s ) 1 Rÿ  W ( s )   ; ÿö  U ( s ) Týs  1   W ( s)    Cì  Rÿ Ñå ,  ì åõ.÷ iÿ Js Tì s где Тэ = Lя / Rя – электромагнитная постоянная двигателя; Тм – электромеханическая постоянная двигателя, Тм = J  Rя / Се  См. Согласно этой системе получаем, что развернутая структурная схема двигателя принимает вид, показанный на рис. 5.1. Рис. 5.1. Развернутая структурная схема двигателя Рис. 5.2. Свернутая структурная схема двигателя Сворачивая развернутую схему (рис. 5.2) двигатель можно представить одним колебательным звеном: K двиг  ,  U TэTм s 2  Tм s  1 где Kдвиг = 1 / Се – конструктивная постоянная двигателя. Wдвиг ( s)  5.1.2. АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Асинхронный электродвигатель является наиболее широко используемой электрической машиной. Это объясняется простотой его конструкции и достаточно жесткими механическими характеристиками. Механическая характеристика имеет вид, представленный на рис. 5.3. Конструктивно асинхронный двигатель состоит из ротора, на котором расположена короткозамкнутая обмотка типа «беличья клетка», и статора. На статоре расположены обмотки управления, число которых опре- 63 деляется числом фаз питающего напряжения. Синхронная частота вращения вала двигателя определяется как 60  f , p где f – частота питающего напряжения, Гц; p – число пар полюсов статорной обмотки. nc Рис. 5.3. Сравнительные механические характеристики электродвигателей Для управления асинхронными двигателями используются частотные и амплитудные методы. В первом случае регулирование частоты вращения осуществляется путем изменения частоты питающего напряжения. Во втором случае для изменения частоты вращения вала асинхронного двигателя изменяется напряжение, подаваемое на статорные обмотки двигателя. Точное математическое описание процессов, происходящих в асинхронном двигателе, представляется системой уравнений Парка-Горева. Оно используется при детальном рассмотрении систем автоматического управления с такими двигателями. Но так как, электромагнитные процессы, протекающие в асинхронных двигателях достаточно быстротечны, при их рассмотрении в большинстве приложений рассматривают только электромеханическую их составляющую. Поэтому передаточная функция асинхронного двигателя в большинстве приложений представляется как  K ,  U Tм s  1 где K – коэффициент пропорциональности между угловой скоростью вала и управляющим сигналом, Тм – электромеханическая постоянная времени двигателя и исполнительного механизма. Электродвигатели используются в приводах технологического оборудования в качестве преобразователей электрической энергии в механическую. W ( s)  64 5.2. ПРИВОДЫ ПОДАЧ Приводы подач являются одним из основных узлов, определяющих производительность и точность станков с ЧПУ. Поэтому им уделяется исключительно большое внимание. В настоящее время широкое применение получили два типа приводов: шаговый привод подач на основе шаговых двигателей (ШД) и следящий привод (как правило, используют высокомоментные двигатели). 5.2.1. ШАГОВЫЙ ПРИВОД ПОДАЧ Шаговый привод является простейшим вариантом привода подач. Он обладает рядом преимуществ, например: простотой конструкции, относительно невысокой стоимостью и др. К недостаткам следует отнести существенное ограничение по скорости, необходимость (во избежание пропуска импульсов) плавного разгона при выходе на режим ускоренных перемещений и плавного торможения при выходе из режима, невосполнимый характер потери информации в случае сбоя (пропуски шага) и др. В шаговых приводах могут использоваться несиловые и силовые шаговые двигатели. В первом случае в состав привода дополнительно входит усилитель крутящего момента, во втором случае – выходной вал шагового двигателя непосредственно связан с ходовым винтом рабочего органа станка или редуктором механизма подач. Рис. 5.4. Структурная схема шагового привода с несиловым шаговым двигателем Наибольшее распространение получил шаговый привод с несиловым шаговым двигателем (рис. 5.4). Импульсные программы в унитарном коде поступают на вход электронного коммутатора 1 по одному из каналов в зависимости от заданного направления. Электронный коммутатор представляет собой кольцевой сдвигающий регистр, изменяющий, свое состояние под действием каждого очередного входного импульса. Смена состояний коммутатора приводит (через усилитель мощности 2) к переключению фаз электрического шагового двигателя 3 и повороту его на угловой шаг. Цена одного шага неизменна и обусловливается особенностями конструкции шагового двигателя. Его ротор приводит во вращение входной вал гидравлического усилителя крутящего момента. Последний усиливает крутящий момент до требуемой величины. С выходного вала гидравлического уси65 лителя крутящего момента движение передается на ходовой винт передачи винт-гайка качения, приводящий в движение рабочий орган станка. Гидравлический двигатель 5 связан с входным валом гидроусилителя с помощью механической обратной связи 6. Шаговые приводы подач являются простейшим вариантом исполнительного привода подач. Их основными показателями являются: полоса пропускания – верхняя граница, по которой определяется максимальная частота командных импульсов, отрабатываемых в установившемся режиме на холостом ходу; приемистость – наибольшая частота следования импульсов, при которой возможны внезапный пуск и останов шагового электродвигателя без потери шага. Приемистость и полоса пропускания характеризуют быстродействие привода и, следовательно, производительность технологического оборудования. Наиболее важными элементами рассматриваемого электропривода являются шаговые электродвигатели и гидравлические усилители крутящего момента. Шаговые электродвигатели (ШД) находят достаточно широкое применение в импульсно-шаговых устройствах ЧПУ. Они представляют собой импульсную синхронную машину, преобразующую электрические управляющие сигналы в дискретные перемещения рабочего органа станка. Требования к ШД в настоящее время существенно возрастают. Это обусловливается тем, что быстродействие и точность отсчета в большей степени предопределяют производительность и точность обработки деталей на современных металлорежущих станках с ЧПУ. Силовые шаговые двигатели имеют большое будущее. Это шаговые двигатели с крутящим моментом от 0,3 Нм; при частоте управляющих импульсов 16 кГц (модель ЕСО) до 22 Нм (модель ECD). Несиловые шаговые двигатели (малой мощности) имеют небольшой крутящий момент, обладают быстроходными и малоинерционными свойствами. Они достаточно широко применяются в импульсно-шаговых устройствах ЧПУ. Несиловые шаговые двигатели можно разделить на следующие типы: трехстаторные, редукторного типа, индукторно-реактивные (пакетной конструкции). Рассматриваемые шаговые двигатели используются в разомкнутых устройствах ЧПУ III поколения (например, в моделях Н221М, НЗЗ1М) и характеризуются следующими основными параметрами: ценой шага, частотой приемистости, демпфированием. Цена шага  представляет собой поворот ротора в градусах, соответствующий одному импульсу, поданному в обмотку управления ШД. Шаговые электродвигатели чаще всего выпускаются с  = 1,5°…3. Ошибка в отработке шага является вероятностной величиной, зависящей от точности изготовления зубцов статора и ротора, эксцентриситета оси 66 ротора относительно оси статора, высших гармоник кривой синхронизирующего момента и других факторов. Она чаще всего составляет доли  (обычно порядка 0,2). Частота приемистости fпр – это максимальная частота следования управляющих импульсов, при которой ротор ШД втягивается в синхронизм с места без потерь шага. Шаговые двигатели, имеющие малый момент инерции ротора, малую электромагнитную постоянную и большое число фаз, характеризуются большой частотой приемистости. Под fмакс понимают максимальную частоту управляющих импульсов, которая допустима для ШД в режиме плавного разгона. Демпфирование – это один из основных параметров ШД, важность которого обусловлена тем, что в процессе дискретного характера работы ШД (т. е. в процессе отработки единичных шагов) при определенных условиях возникают крутильные колебания ротора, приводящие к сбою в его работе, т. е. к потере информации. Сбой в работе наиболее вероятен при частотах управляющих импульсов, близких к частоте собственных колебаний ротора, когда может возникнуть электромеханический резонанс. В его условиях наблюдается резкое увеличение амплитуды колебаний, уменьшение точности обработки и увеличение шероховатости обрабатываемой поверхности. Демпфирование колебаний ротора осуществляется электромагнитным успокоением и демпфером сухого трения. Метод электромагнитного успокоения основан на внутренних свойствах самого электродвигателя и применяется для снижения крутильных колебаний тихоходных ШД. Демпфер сухого трения применяется, когда демпфирования за счет электромагнитного успокоения недостаточно (обычно в быстроходных ШД). Демпфер представляет собой устройство, предназначенное для рассеивания энергии, сообщаемой системе внешними возмущающими моментами (в том числе и в условиях резонанса). Существует много типов демпферов (например, сухого или вязкого трения, трения с механической упругой связью между маховиком и демпфирующим валом и др.). В установившемся режиме демпфер вращается синхронно с ротором, при ускорении ротора инерционные диски демпфера отстают, а при замедлении опережают его. Следовательно, в переходные режимы они создают тормозной момент, снижающий колебания ротора. В этом и заключается принцип работы демпфера. Гидравлические усилители крутящего момента широко применяют в металлорежущих станках с ЧПУ. Они обеспечивают синхронное вращение входного и выходного валов при многократном увеличении крутящего момента на выходе по сравнению с моментом на входе. Увеличение крутящего момента достигается за счет использования энергии масляного потока, подводимого к гидроусилителю. Гидравлические усилители работают совместно с несиловым ШД. 67 Принцип действия шагового двигателя. Принцип действия ШД напоминает работу поворотного электромагнита. Магнитопроводящий ротор с полюсами (рис. 5.5) стремится повернуться так, чтобы его полюсы оказались в положении наибольшей проводимости магнитного потока, образованного электрическим током, проходящим через одну из трех обмоток секций статора. Секции имеют аналогичные ротору полюсы, однако они расположены таким образом, что если полюсы одной из них совпадают с полюсами ротора, у двух других они смещены на ±1/3 шага. Шаговый двигатель обеспечивает строго выдерживаемый угол поворота ротора при подводе к его обмоткам постоянного напряжения. Подавать которое к разным обмоткам (секциям) статора необходимо в определенной последовательности, зависящей от требуемого направления поворота ротора двигателя. Частота подаваемых на ШД импульсов изменяет угловую скорость вращения ротора, и при большой частоте наблюдается его непрерывное вращение (необходимо помнить, что ШД можно использовать для ЧПУ в разомкнутых системах лишь в пределах их разрешающей способности, если не снабжать систему специальными устройствами плавного разгона и торможения). Разрешающей способностью шагового двигателя (частотой приемистости или приемистостью) называется мгновенный перепад частот, отрабатываемый двигателем без пропуска хотя бы одного импульса. Разрешающая способность различных типов отечественных ШД составляет 2 000 Гц. При плавном разгоне двигатели могут работать на более высоких частотах, например до 20 000 Гц. Шаговый двигатель характеризуется также динамическим моментом, имеющим значение соответственно разрешающей способности (1 H · м для ШД, используемых в качестве серводвигателей, и 10...100 H · м для силовых ШД). Реверсирование шагового двигателя достигается изменением последовательности подключения обмоток статора. Рис. 5.5. Устройство шагового двигателя 68 Передача винт – гайка качения. Широкое распространение в качестве конечного звена шагового привода подач металлорежущих станков получила передача винт – гайка качения (рис. 5.6). Подобные передачи применяют в цепи подач металлорежущих станков, оснащенных разомкнутыми и замкнутыми устройствами числового программного управления. В передаче винт – гайка качения ходовой винт и гайка в осевом сечении полукруглые, несколько витков канавок винта и гайки плотно заполняются стальными шариками, и имеется специальное звено для устранения зазора. В процессе работы винтовой пары между контактирующими поверхностями происходит трение качения, а не скольжения, как в обычных винтовых парах. Указанная особенность характерна для рассматриваемых передач. Для возврата шариков (после того как они пройдут через винтовые канавки) предусмотрены соединительные трубки. Поэтому эти передачи часто называют шариковыми винтовыми рециркуляционными парами. Величину продольного усилия F(H), передаваемого гайкой, можно определить по формуле: 2M 1000 , F h где h – шаг ходового винта, мм. а б Рис. 5.6. Передача винт гайка качения а – общий вид; б – профиль резьбы Передачи винт – гайка качения обладают следующими преимуществами: устраняются люфты и обеспечивается точность перемещения; в несколько раз увеличивается КПД передачи и достигает величины 0,9…0,95; сила трения практически не зависит от скорости вращения элементов; обеспечивается плавность перемещения элементов. Для высокой точности перемещения исполнительных органов требуется, чтобы шариковые винтовые передачи обладали большой осевой 69 жесткостью и длительно сохраняли высокую первоначальную точность. Удовлетворение этих требований зависит от правильного выбора материала для винта и гайки и точности их изготовления. 5.2.2. СЛЕДЯЩИЙ ПРИВОД ПОДАЧ В приводах подач металлорежущих станков с ЧПУ (особенно больших размеров) следящий привод находит исключительно широкое применение. Он предназначен для точного воспроизведения входного управляющего сигнала и преобразования его в механическое перемещение. Современный следящий привод должен удовлетворять ряду требований. Прежде всего, он должен обеспечивать высокую скорость перемещения рабочего органа (до 10…15 м/мин), высокую точность отработки управляющих сигналов (в некоторых случаях эта величина выражается до 1 мкм) и плавность перемещения. Последняя достаточно существенно влияет на шероховатость обрабатываемой поверхности. Следящий привод (рис. 5.7) включает в себя ряд основных узлов, например регулируемый привод, датчик обратной связи по положению и сравнивающее устройство. Главным структурным компонентом следящего привода является регулируемый привод, выполняемый по схеме «тиристорный преобразователь – двигатель» и осуществляющий регулирование напряжения в цепи якоря электродвигателя постоянного тока. Рис. 5.7. Структурная схема следящего привода подач: I – следящий привод; II – регулируемый привод; 1 – промежуточный усилитель; 2 – усилитель регулируемого привода; 3 – тиристорный преобразователь; 4 – электродвигатель постоянного тока; 5 – редуктор; 6 – корректирующее устройство; 7 – тахогенератор; 8 – датчик обратной связи контура пути Регулируемый электропривод образует внутренний контур следящего привода, замкнутый по скорости. В качестве датчика обратной связи используется тахогенератор. Наиболее важным узлом регулируемого при- 70 вода является электродвигатель постоянного тока. Он может выполняться разной конструкции (традиционного исполнения, с дисковым якорем и высокомоментным). Принцип работы следящего привода заключается в том, что на вход привода поступают управляющие импульсы от устройства ЧПУ. Число импульсов определяет величину перемещения, а их частота – требуемую скорость перемещения. Перед подачей на вход следящего привода управляющий импульс преобразовывается (форма преобразования зависит от типа датчика обратной связи) и поступает в сравнивающее устройство, в котором образуется сигнал рассогласования е, пропорциональный разности заданного 3 и фактического ф положения исполнительного вала привода (или рабочего органа станка), определяемого с помощью измерительного преобразователя перемещений, включающего в себя ранее указанные датчики обратной связи. Сигнал рассогласования поступает на промежуточный усилитель 1 и на усилитель 2 регулируемого привода. Затем он сравнивается с сигналом обратной связи по скорости и направляется в тиристорный преобразователь 3, который вырабатывает сигнал и направляет его в цепь ротора электродвигателя постоянного тока 4. Ротор вращается в соответствии с поданным напряжением и имеющимся моментом нагрузки. Основной характеристикой следящего привода является погрешность положения (ошибка замкнутой системы следящего привода). Причем е = 3 – ф. Высокомоментные двигатели следящего привода. Высокомоментные двигатели имеют возбуждение от постоянных магнитов, и поэтому у них наблюдается меньший нагрев по сравнению с обычными. Их изготавливают со встроенным тахогенератором и, по желанию потребителя, датчиком пути и тормозом. Они имеют малую массу и объем. Таким двигателям не нужны механические редукторы, их можно непосредственно соединять, например, с шариковым ходовым винтом исполнительного узла. В сочетании с цепью адаптивного регулирования частоты вращения с помощью тиристорного преобразователя частота вращения сохраняется постоянной и при 1 мин-1. Таким образом, динамические характеристики двигателей позволяют обеспечить большую точность обрабатываемых деталей. Ускоренный ход исполнительного узла сокращает вспомогательное время при обработке. Необходимо отметить, что малоинерционные двигатели требуют специального динамического согласования с механической системой станка. Если собственная частота двигателя и частота механической системы будут соизмеримы, это может привести к потере устойчивости всей системы электромеханического привода. Из этого следует, что более рациональный путь повышения быстродействия двигателя связан с увеличением динамического момента при неизменном моменте инерции якоря машины. Двигатели подобного типа получили название высокомоментных. Кон71 структивная особенность таких двигателей (возбуждение от постоянных магнитов) позволяет отказаться от электромагнитного возбуждения, что исключает потери на нагрев обмотки возбуждения на 10...15 %, увеличивает КПД и уменьшает размеры двигателя. Применение постоянных магнитов позволяет построить многополюсную машину постоянного тока, что упрощает коммутацию и обеспечивает равномерное распределение магнитной индукции в зазоре. Двигатели сохраняют равномерное вращение при частотах до 0,1 мин-1. Электромагнитный момент двигателя постоянного тока зависит от магнитного потока и тока якоря. Для создания высокого динамического момента необходимо, чтобы при всех значениях тока якоря магнитный поток оставался постоянным. В машинах постоянного тока с электромагнитным возбуждением магнитный поток уменьшается вследствие размагничивающего действия реакции якоря. Двигатели с постоянными магнитами имеют более стабильный магнитный поток, но и они могут размагничиваться при протекании по якорю больших токов. Во избежание этого намагничивающая сила постоянного магнита должна быть достаточно велика. Все эти обстоятельства определяют конструкцию магнитной системы высокомоментных двигателей. Магниты из сплава альнико имеют большую длину по оси намагничивания. Высокое значение индукции позволяет получить достаточный магнитный поток при малом сечении магнита. Такие магниты располагают тангенциально по отношению к окружности якоря и снабжают их полюсными наконечниками из магнитомягкого материала. Ферритовые магниты, напротив, имеют очень малую длину, поскольку они создают высокую напряженность поля и имеют большую площадь сечения. Они сами образуют полюса магнитной системы. Низкая стоимость ферритовых магнитов и простая конструкция высокомоментных двигателей на их основе обеспечили им широкое распространение. Созданы высокоэнергетические магнитные материалы на основе редкоземельных элементов. Наиболее перспективны самарийкобальтовые ферриты, их удельная энергия примерно в 3…4 раза выше, чем у сплавов альнико. Кроме того, для создания высокомоментных двигателей необходимо улучшить условия коммутации. Этого можно добиться, если уменьшить ЭДС коммутируемой секции путем увеличения числа пластин коллектора. Для этого применяют также специальные контактные щетки, выдерживающие большие плотности тока. Все эти меры обеспечивают 6…10-кратную перегрузку по моменту при низких частотах вращения в течение 20...30 мин. Это обеспечивается наличием массивного якоря и большой тепловой инерционностью двигателя. При повышении частоты вращения коммутация двигателя ухудшается и перегрузочная способность снижается. Высокомоментные двигатели относительно тихоходны. Номинальная частота вращения составляет обычно 1 000 мин-1 (ее можно повысить до 2 000 мин-1 за счет кратковременного форсирования напряжения якоря). Эти двигатели не нуждаются в промежуточном редукторе, и их устанавли72 вают непосредственно на ходовой винт механизма подачи станка. Типичная конструкция высокомоментного двигателя с ферритовыми магнитами представлена на рис. 5.8. Рис. 5.8. Устройство высокомоментного двигателя Ферритовые сегменты 8 многополюсной магнитной системы располагаются в цилиндрическом корпусе 7 и охватывают якорь 6. На валу двигателя расположен коллектор 5 со щетками 4. Двигатель снабжен электромагнитным тормозом 9 и встроенным тахогенератором 3. Для осуществления обратной связи по перемещению предусматривается резольвер 2, который связан с валом двигателя прецизионной повышающей передачей 1. Конструкция двигателя допускает применение внешнего вентилятора типа «наездник». Бесконтактный электродвигатель (БКД) Дальнейшим развитием исполнительных электродвигателей постоянного тока являются вентильные бесконтактные электродвигатели, в которых коммутация осуществляется полупроводниковыми приборами. Это позволяет избавиться от коллектора и щеток, так же существенно улучшить динамические свойства машины. Вентильный бесконтактный двигатель постоянного тока состоит из синхронного двигателя, с ротором которого связан датчик положения ротора, который обеспечивает коммутацию обмоток управления, расположенный на статоре электрической машины. На ее роторе располагаются постоянные магниты (рис. 5.9). Мощность электропривода N (кВт) можно определить как: N = 10,2  M  n, где M – момент на валу двигателя, Hм; n – число оборотов вала двигателя, с-1. 73 Рис. 5.9. Функциональная схема бесконтактного электродвигателя Момент, развиваемый БКД определяется следующим образом: M  m  p  ce U c ( Ra  cos  p    Lq  sin )  ce   Ra ( p  ) 2 L2q  Ra2 , где  – угловая скорость вала; Uc – напряжение управления двигателем; m – число фаз обмотки управления; Ra, Lq – сопротивление и индуктивность фазной обмотки двигателя; ce – коэффициент пропорциональности между напряжением на фазных обмотках двигателя и угловой скоростью его вала; p – число пар полюсов двигателя;  – угол сдвига между основной гармоникой ЭДС фазы и фазовым напряжением. При малой индуктивности фазных обмоток двигателя и величине угла сдвига между основной гармоники ЭДС и фазовым напряжением, близким к 90, величина момента, развиваемого БКД, определяется по формуле: M m  p  ce U c  ce  . Ra Таким образом, вид механической характеристики БКД достаточно близок к аналогичным характеристикам двигателя постоянного тока. Поэтому для исследования СУ, содержащих бесконтактные двигатели, используются передаточные функции, полученные для двигателей постоянного тока. 5.3. ГИДРО- И ПНЕВМОПРИВОДЫ Для осуществления поступательного движения в станках используют гидро- и пневмоцилиндры. По конструкции их можно разделить на цилиндры с двусторонним, односторонним штоками и с плунжером. На рис. 5.10 приведены схемы гидроцилиндров, обеспечивающих возвратно-поступательное движение исполнительного рабочего органа 6 74 станка (стол, суппорт, ползун). Движение осуществляется при подаче масла к поршням 2 (по трубопроводам 1 или 4 в цилиндр 3). а б в г д е Рис. 5.10. Схемы гидроцилиндров Стол 6 (см. рис. 5.10, а) совершает движения в противоположные стороны с одинаковыми скоростями (подачами). Корпус цилиндра 3 неподвижен. Штоки 5, имеющие одинаковые диаметры d, работают на растяжение. Это позволяет сделать штоки небольшого диаметра. Однако здесь требуется точно изготовить цилиндр, выполнить двойные уплотнения штоков и уплотнения поршня. Кроме того, возрастает длина хода поршня до L = 3l, где l – длина хода поршня 2. Для того чтобы обеспечить свободный выход воздуха из полостей, масло по трубопроводам 1 и 4 подают в цилиндр в верхних точках. Если при движении вправо и влево в цилиндр поступает равное количество масла Q, то скорость движения стола 6 находятся по формуле: 75 1 000Q , 0,785( D 2  d 2 )60 где Q – расход масла, поступающего в цилиндр, л/мин; D – диаметр цилиндра, мм; d – диаметр штока, мм; V – скорость движения влево, мм/с; V1 – скорость движения вправо, мм/с. Такие цилиндры применяют главным образом в станках шлифовальной группы. В цилиндрах, выполняемых по схеме, представленной на рис. 5.10, б, шток неподвижно закреплен на станине, а корпус жестко связан со столом 6 станка. Масло в цилиндр поступает через отверстия в штоке. Гидроцилиндр, показанный на рис. 5.10, в, имеет односторонний тонкий шток, что позволяет значительно уменьшить размеры цилиндра и получить приблизительно одинаковые скорости движения в обе стороны. Эти цилиндры используют в станках, где шток работает на растяжение. Для упрощения технологии изготовления цилиндров и уменьшения стоимости агрегата цилиндры выполняют так, как показано на рис. 5.10, г. В этом случае их внутреннюю поверхность не обрабатывают. Плунжеры 2 и 5 выполняют пустотелыми, и если они имеют одинаковый диаметр, скорость перемещения стола в обе стороны одинакова. Длина хода стола 6 при таких конструкциях цилиндра может достигать 8 м. В многорезцовых и копировальных токарных полуавтоматах, а также в агрегатных станках для перемещения силовых головок применяют цилиндры, выполненные по схеме рис. 5.10, д. Здесь корпус цилиндра 3 жестко связан с рабочим органом станка, а шток, через который подводится масло, жестко закреплен на станине. Если необходимо получить одинаковые скорости движения штока в обе стороны, применяют дифференциальные цилиндры (см. рис. 5.10, е) в которых при движении поршня 2 влево правая полость соединяется с напорной магистралью, левая – со сливной, а при движении вправо обе полости через распределитель соединяются с напорной магистралью. При этом масло, вытесняемое из правой полости, поступает в левую вместе с маслом, подаваемым насосом. Такие цилиндры применяют в хонинговальных станках. При движении поршня влево скорость перемещения определяется из выражения: Q V .  2 2 (D  d ) 4 При движении поршня вправо (соблюдая условия дифференциальности) и полагая, что d 2   2 (D 2  d 2 ) , 4 4 получим V  V1  76   V1 ( D 2  d 2 ) V1 ( D 2  d 2 ) Q Q 4 . V1     4 2  2  2  2 2 2 d D 2 (D  d ) 2 (D  d ) 4 4 4 4 Откуда Q V1  V,  2 2 (D  d ) 4 т. е. скорость перемещения влево и вправо одинакова. Если в таком дифференциальном цилиндре уменьшить диаметр штока 5, можно получить очень высокие скорости рабочих подач. Такую конструкцию используют в протяжных, поперечно-строгальных и долбежных станках. Эффективная (полезная) мощность насоса (кВт), используемого в гидросистеме, определяется по формуле Nэф = P  Q / 612, где P – рабочее давление в гидросистеме, создаваемое насосом (Па); Q – производительность насоса, л/мин. Усилие, развиваемое на штоке гидро- или пневмоцилиндра, можно определить по формуле ( D 2  d 2 ) , FP 4 где F – величина силы, H; P – давление в системе, Па. Типовая конструкция пневмоцилиндра приведена на рис. 5.11. Рис. 5.11. Схема пневмоцилиндра 77 Основной деталью цилиндра является труба (гильза) 1, изготовляемая из стали 45. Торцевые поверхности трубы закрыты крышками 5, изготовленными из стали или чугуна. Соединение крышек 5 и гильзы уплотняют круглыми резиновыми кольцами 4. Внутри гильзы помещен чугунный поршень 3, который прикреплен к штоку 6 гайкой. Стальной шток 6 опирается на втулку 8. Уплотнение штока соединения с крышкой обеспечивается манжетами, прижимаемыми втулкой 7. Силу прижима можно регулировать прокладками. Для уплотнения сопряжений между поршнем 3 и гильзой 1 служат поршневые манжеты 2 или чугунные поршневые кольца. Задания для самоконтроля 1. Ошибки систем управления приводов главного движения. 2. Математическая модель двигателя постоянного тока. 3. Математическая модель асинхронного электродвигателя. 4. Характеристики шагового электродвигателя. 5. Структура и принцип действия шагового привода подач. 6. Структура и принцип действия следящего привода. 7. Устройство высокомоментного электродвигателя. 8. Устройство бесконтактного электродвигателя. 9. Математическая модель пневмо- и гидроприводов. 78 6. ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ При разработке систем управления ТС прежде всего ставится следующая задача – система должна выполнять функциональное назначение, определяемое целью управления. Иногда может быть поставлена более сложная задача – разработать автоматическую систему с наилучшими показателями качества. Для их разработки применяют принцип оптимальности, позволяющий обеспечить наилучшее выполнение цели управления. Автоматическую систему управления, обеспечивающую наилучшие технические или технико-экономические показатели качества, при заданных реальных условиях работы и ограничениях, называют оптимальной системой управления. Оценку достижимости цели в процессе управления ТС, представленную в формализованном виде (аналитической форме), принято называть критерием оптимальности, или целевой функцией. Разработка наилучшей СУ, удовлетворяющей поставленным требованиям, представляет собой задачу синтеза оптимальной системы. Возможны два основных типа задач синтеза оптимальных систем управления ТС. В задачах первого типа известна структура системы управления (передаточные функции регулятора k(p) и ТС) и надо найти оптимальное значение ее числовых параметров (рис. 6.1, а), при которых обеспечивается экстремальное значение заданного показателя качества (синтез параметров системы управления ТО). В задачах второго типа система управления полностью неизвестна и требуется определить ее структуру и параметры так, чтобы она была оптимальной по принятому показателю качества (синтез структуры системы). На практике обычно задан объект управления, поэтому задача синтеза состоит в определении структуры и параметров оптимального управляющего устройства (УУ) (рис. 6.1, б). Переменные выхода Y(t), управления (t), входных xвх(t) и возмущающих fв(t) воздействий в общем случае могут быть как скалярными, так и векторными величинами при многомерных объектах: Y(t), u(t), Xвх(t), fв(t). Наиболее распространенной является задача определения оптимальных управлений u(t), обеспечивающих оптимальные процессы в функции времени при заданных начальных Y(t0) и конечных Y(tk) значениях выходных переменных. Различают два основных случая оптимального управления u(t) техническим объектом: без применения обратных связей (разомкнутая система) и с их применением (замкнутая система). В разомкнутой оптимальной системе управляющее устройство по заданным граничным условиям формирует оптимальный закон управления (рис. 6.3, а). При этом координаты ТО не используются в формировании закона управления. В замкнутой оптимальной системе на вход УУ подаются соответствующие сигналы с выхода ТО (рис. 6.2, б). 79 а а б б Рис. 6.1. Структурные схемы систем управления Рис. 6.2. Структурные схемы оптимального управления Решение задачи синтеза оптимальной СУ начинают с описания реальных элементов системы математическими соотношениями (составления математической модели системы). Далее устанавливают имеющиеся ограничения для координат системы и анализируют характеристики сигналов внешних воздействий, а также составляют математическое выражение заданного критерия качества. После того как задача синтеза математически сформулирована, ее решают соответствующими математическими методами, в результате чего определяют функцию управления из условия минимума или максимума показателя качества, определяющего оптимальный режим работы ТО. Аналитическое решение задачи синтеза оптимальных СУ выполняют методами теории оптимального управления, в результате чего находят выражение, определяющее структуру и параметры УУ (рис. 6.1, б). В простых задачах управления стационарными объектами при отсутствии внешних возмущений можно ограничиться таким алгоритмом, который определяет неизменную настройку оптимального регулятора (управляющего устройства). При этом предусматривается наличие достаточного объема предварительных сведений (априорной информации) о внутренних и внешних условиях работы объекта и системы. Чем полнее на стадии проектирования априорная информация о характеристиках системы и условиях ее работы, тем точнее СУ, полученная в результате. Это означает, что в данном случае оптимизируется только конструкция системы с целью получения оптимальных процессов. Имеется широкий класс объектов управления, статические и динамические характеристики которых изменяются в широких пределах заранее непредвиденным образом; при этом невозможно описать физические процессы, протекающие в них при функционировании систем управления 80 в реальных условиях. В связи с этим системы управления нестационарными объектами работают в условиях неопределенности (недостаточности – «неполноты» – априорной информации о характеристиках управляемого процесса). Дальнейшее совершенствование производственных и технологических процессов обусловлено усложнением задач управления. Специфическая особенность этих усложнений заключается в практической невозможности подробного изучения и описания процессов, протекающих в СУ. По мере усложнения задач, возлагаемых на СУ из-за уменьшения объема априорной информации о системе, появляются трудности в обеспечении заданного качества управления. Для их преодоления при разработке СУ, функционирование которых происходит в условиях неопределенности, применяют принцип адаптации. Это позволяет искусственно создать эффект приспособления к изменяющимся условиям в СУ за счет того, что часть функций по получению, обработке и анализу недостающей информации об управляемом процессе осуществляется самой системой в ходе ее нормальной эксплуатации с помощью адаптивного управляющего устройства (АУУ), а не проектировщиком на предварительной стадии разработки системы. Это приводит к существенному снижению влияния неопределенности на качество управления и позволяет скомпенсировать в определенной степени недостаток априорной информации об управляемом процессе на стадии проектирования. Системы управления, в которых параметры управляющих воздействий или алгоритмы управления автоматически и целенаправленно улучшаются (причем характеристики ТО или воздействий внешней среды могут изменяться заранее непредвиденным образом), называют адаптивными СУ. Развитие новых технических средств радиоэлектроники, вычислительной техники и технической кибернетики, а также изучение и моделирование органов живых организмов позволяют создавать и совершенствовать адаптивные СУ. Обобщенная функциональная схема адаптивной СУ показана на рис. 6.3, где АУУ в общем случае представляет комплекс измерительных, преобразовательных и вычислительных устройств, а также усилительных и исполнительных элементов. Рис. 6.3. Структурная схема формирования сигналов управления 81 Принцип адаптации применяют в случаях, когда сложность управляемого процесса (нестационарного объекта) достигает такого уровня, при котором влияние неполноты априорной информации об условиях работы системы становится существенным и невозможно обеспечить заданное качество процессов управления без приспособления системы к изменяющимся непредвиденным образом условиям функционирования. Учитывая, что основным назначением всякой СУ является достижение требуемой цели управления в условиях, в общем случае, заранее не определенных, все их можно разделить на два класса: системы с жесткой настройкой, в которых неполнота информации не мешает достижению цели управления; адаптивные системы, в которых неполнота информации не позволяет достигнуть цели управления с заданной точностью без автоматического приспособления системы в условиях неопределенности. Оба класса СУ могут быть построены таким образом, чтобы обеспечивались наилучшие показатели качества, т. е. в общем случае указанные классы систем могут быть оптимальными с «жесткой» настройкой и адаптивными оптимальными. При решении задачи синтеза оптимальной адаптивной системы выбирают показатель качества, характеризующий достижение требуемой цели управления в условиях неопределенности. Аналитическое решение задачи синтеза адаптивных систем выполняют соответствующими методами теории. Оптимизацию сложных СУ с помощью адаптивных управляющих устройств называют автоматической оптимизацией. Таким образом, при разработке оптимальных адаптивных СУ ТО создают их оптимальную конструкцию, которая обеспечивает автоматическую оптимизацию в условиях неопределенности. Задания для самоконтроля 1. Структурные схемы систем управления. 2. Структурные схемы оптимальных систем управления. 3. Решение задачи синтеза параметров системы управления. 4. Решение задачи синтеза структуры системы управления. 5. Обобщенная функциональная схема адаптивной системы управления. 82 7. РАЗВИТИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ Развитие средств автоматики и электроники позволяет выполнять функции управления на качественно более высоком уровне, а именно – управлять работой агрегатов с оптимизацией режимов их работы, адаптацией и самонастройкой, придавая СУ не только функции исполнения разработанной программы, но в значительной степени и сам процесс программирования. При создании автоматических и автоматизированных систем различного назначения до недавнего времени в качестве их вычислительной основы широко использовались два класса средств цифровой техники: устройства с жесткой структурой, выполненные на базе цифровых логических схем и электронные вычислительные машины (ЭВМ) универсальные и управляющие. Устройства с жесткой структурой обычно содержат большое число дискретных элементов и интегральных схем малой и средней степени интеграции. При этом различного рода изменения функций требуют модификации схемы (т. е. перепайки соединений, замены компонентов), проверочных тестов. Поэтому главным недостатком системы на основе таких устройств являются значительное время проектирования и изготовления, а также трудности внесения изменений. Системы на основе ЭВМ могут легко перестраиваться с реализации одной функции на другую, для чего достаточно составить и занести в память новую программу. Выполнение алгоритма функционирования в таких системах осуществляется программно. При использовании серийных ЭВМ это значительно сокращает сроки проектирования, изготовления и настройки системы. Использование ЭВМ в процессах управления ТО привело к появлению производственных систем, получивших название CIM (Computer integrated manufacturing) или компьютеризированные интегрированные производства. Важнейшими их компонентами являются подсистемы автоматизированного проектирования, а также программно-аппаратный интерфейс. Такая система представляет собой автоматизированный комплекс с гибко перестраиваемой технологией, в которой управление осуществляется от центральной ЭВМ. Эта ЭВМ является системой более высокого уровня управления по отношению к каждой из входящих в такой комплекс. Основной задачей является обеспечение максимальной и равномерной загрузки станков с помощью автоматизированных транспортных средств для деталей и режущих инструментов и «наблюдение» за ходом ТП (проведение контроля и ввод соответствующих корректив в работу ТО, изменение соответствующим образом технологических маршрутов обработки и изменение по мере необходимости заданных в программе параметров). ЭВМ также распределяет рабочие программы, хранящиеся в биб83 лиотеке программного обеспечения. При этом, несмотря на то, что ЧПУ на базе ЭВМ имеет большой объем собственной памяти, достаточной для хранения программы на осуществление всего ТП, далеко не всегда рационально передавать ее из ЭВМ в ЧПУ полностью из-за трудности корректировки такими средствами. Следующим более высоким уровнем автоматического управления является обеспечение учета, планирование и диспетчирование работы автоматизированного комплекса. Это является уровнем автоматизированной системы управления (АСУ) цеха или предприятия, которая реализуется также с помощью ЭВМ, но, как правило, значительно более мощной, так как обычно здесь решаются более общие задачи, в том числе и задачи автоматизированной подготовки управляющих программ. Такая многоуровневая СУ, включающая частично и задачи автоматизации административного управления, называется гибкой интегрированной системой. При этом более низкие уровни могут в случае необходимости работать автономно. Системы управления на базе ЭВМ строятся на основе микропроцессоров (МП), которые являются их базовой единицей. В МП объединены универсальные возможности программируемого средства с преимуществами, которые представляет технология микропроцессорной техники. Формирование и развитие МП привело к появлению нового подхода к проектированию цифровых систем на основе программируемой логики. Этот подход предполагает при построении систем использование стандартных универсальных МП, работающих под управлением программы. Если разработчик систем на основе устройств с жесткой структурой может пользоваться для реализации необходимых функций только аппаратными средствами, а при использовании ЭВМ – в большей степени только программными средствами, то при построении СУ на основе программируемой логики он получает возможность использовать полностью как аппаратные, так и программные средства. Необходимо отметить, что стоимость, малые массы и размеры, высокая надежность и ряд других характеристик средств МП придают СУ новые качества, позволяющие существенно приблизить средства обработки информации и управления к местам ее возникновения и приложения управляющих воздействий. В конструктивном отношении средства МП становятся встроенными, т. е. являются элементами и узлами автоматических систем, подчиненных своей логике, своим задачам. Задания для самоконтроля 1. Системы управления на базе цифровых логических схем. 2. Системы управления на базе ЭВМ. 3. Компьютеризированные интегрированные производства. 4. Гибкие интегрированные системы управления. 5. Построение систем управления на основе программируемой логики. 84 Заключение На современном этапе развития машиностроения основным направлением интенсификации производства является задача по его комплексной автоматизации. Для эффективного решения проблем связанных с этой задачей современному инженеру требуются глубокие знания принципов работы оборудования с программным управлением, элементов его конструкции и технологических возможностей. В учебном пособии достаточно подробно изложен материал позволяющий студентам ознакомится с основными принципами управления на различных организационных уровнях в машиностроительном производстве. Изложены основы функционирования, а также элементный состав систем числового программного управления и исполнительных механизмов технологических объектов. Приведены принципы оптимального управления. Рассмотрены тенденции и современные достижения в области управления техническими системами. Поэтому учебное пособие будет полезно не только студентам, изучающим курс «Управление системами и процессами», но и специалистам промышленности, занимающимся созданием автоматизированных производственных систем. Дальнейшее изучение этой области потребует освоение методов взаимодействия технологических объектов управления с управляющими системами на базе современных ЭВМ объединенных распределенными вычислительными сетями, моделирования работы САУ и оптимального выбора ее структуры, вопросов автоматизации работы и программирования оборудования с применением САПР, а так же при помощи обучения интеллектуальных систем управления на базе нейрокомпьютеров. 85