Моделирование процесса управления гибкими производственными модулями (ГПМ)

С точки зрения управления ГПМ является более сложным объектом, чем станок с ЧПУ. Он включает в себя (кроме станка с ЧПУ) робот, накопители деталей, магазины заготовок и инструментов, транспортную систему, а также систему автоматического контроля. Все эти компоненты ГПМ снабжены собственными средствами управления, которые объединяются в единую локальную управляющую сеть. Взаимодействие всех средств управления осуществляется с помощью программы диспетчера. Диспетчеризация – это основная функция СУ ГПМ, обеспечивающая автоматизацию процесса изготовления деталей.

Особенность ГПМ заключается в его использовании для обработки однотипных изделий с различным содержанием операций, набором применяемых инструментов, геометрическими параметрами. Поэтому СУ ГПМ должна решать следующие задачи:

1) определять по специальным признакам технологический процесс обработки детали и необходимый для этого инструмент, т.е. решать задачи идентификации;

2) наблюдать за ресурсом работы инструмента, диагностировать отклонения размеров обрабатываемых поверхностей и вводить коррекцию, принимать решения для выхода из нештатных ситуаций, т.е. решать задачу мониторинга;

3) воспринимать команды вышестоящего уровня, вести диалог с оператором, передавать информацию о ходе выполнения заданий и др., то есть решать терминальную задачу.

Для обеспечения взаимодействия объектов ГПМ разрабатывается программа диспетчера. При разработке этой программы необходимо:

1) определить состав параллельных процессов управления, их аппаратные структуры, информационные и исполнительные устройства;

2) разделить каждый процесс на отдельные управляющие программы (дескрипторы), составить спецификации программ;

3) выделить условия выполнения каждой программы в рамках ГПМ, определить необходимые для этого обменные и блокировочные сигналы, разработать средства для их передачи;

4) разработать алгоритм анализа условий и вызова программ.

Рассмотрим упрощенную структуру ГПМ в составе станка, робота и магазина для заготовок и деталей (рис. 3.13).

Каждая единица оборудования имеет собственное устройство программного управления и возможности объединения в сеть.

Рисунок 3.13 – Упрощенная структура ГПМ

СУ магазина путем поворота и фиксации магазина обеспечивает подачу заготовки в позицию х₀, а также прием в свободное место (гнездо) обработанной детали.

СУ робота позволяет перемещать захват в начальное состояние х₁ захватывать заготовку в зоне х₀ , переносить её в позицию х₂ для обработки заготовки и выводить его в безопасную зону х₃, управлять процессом зажима и разжима захвата.

СУ станка обеспечивает закрепление, раскрепление и обработку заготовки.

Спецификация программ и их условные обозначения представлены в таблице 3.4.

Процесс взаимодействия программ требует учета следующих условий:

1) начальная установка СУ может осуществляться одновременно;

2) сначала диспетчер должен разрешить выполнение программы М1 (подача заготовки в зону х₀);

3) до начала обработки детали выполняется программа Р1 (захват заготовки в магазине и ее перемещение в зону станка х₂), затем С1 (зажим заготовки), после этого захват выводится в безопасную зону x₃ программой Р2;

Таблица 3.4 – Спецификация и обозначение управляющих программ

Система управления	№ п/п	Содержание программы	Условное обозначение
Магазин		Начальная установка (состояние готовности) Подача заготовки в зону х0 Подача в зону х0 свободного места под деталь Поворот в начальное состояние для загрузки и выгрузки магазина	М0 М1 М2 М3
Робот		Начальная установка, перемещение захвата в зону х1 Захват заготовки в зоне х0 и перемещение ее в зону обработки х2 через безопасную зону х3 Разжим захвата, перемещение захвата в безопасную зону х3 Перемещение захвата в зону х2, захват детали Перемещение захвата в зону х0, разжим захвата, выход в позицию х1 Выход в состояние перепрограммирования или ожидания	Р0   Р1   Р2   Р3 Р4   Р5
Станок		Начальная установка станка Зажим заготовки Обработка заготовки Разжим заготовки Выход в состояние перепрограммирования или ожидания	С0 С1 С2 С3 С4

4) после обработки детали (программа С2) разрешается выполнение программ в следующей последовательности: Р3 (захват детали), С2 (разжим заготовки), М2 (подготовка места для приема детали) и Р4 (установка детали в магазин и выход в зону х₁);

5) если имеется задание на обработку следующей детали, диспетчер выводит СУ в состояние начальной установки, а если нет, то выполняются М3, Р5 и С4, т.е. производится перепрограммирование, настройка и смена инструмента.

Сеть Петри для процесса управления ГПМ показана на рисунке 3.14.

Рисунок 3.14 – Сеть Петри для процесса управления ГПМ

4 РАЗРАБОТКА УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ

4.1 Базовые понятия

Кадры программы. Система ЧПУ исполняет кадры программы последовательно, один за другим. Каждый кадр состоит из некоторой совокупности слов, которые, в свою очередь, содержат адресную часть и цепочку цифр. К примеру, кадр может состоять из девяти слов с адресами N_G_ Х_У_Z_Р_S_Т_М. Последовательность полноформатных слов выглядит, например, так: G00 Х-23450 Y40 M03 S250. Незначащие нули цифровой части слова пропускают. Числа типа real записывают с десятичной точкой; причем, незначащие нули в дробной части также опускают. Например, Х100.500 соответствует Х100.5. Число слов в кадре переменно. Слова, описывающие перемещения, могут иметь знак (+/-). При отсутствии знака перемещение полагается положительным.

Модальный эффект. Большинство слов модальны. Это означает, что они остаются в силе на протяжении нескольких кадров, пока значение слова не изменится, или пока функция, представленная словом, не будет выключена. Пусть, например, с помощью функции G1 запрограммирована линейная интерполяция с некоторой скоростью подачи. В последующих кадрах эта функция сохранит свою активность, пока интерполяция не изменится на круговую (функция G2) или линейную с ускоренной подачей (функция G0). Слова, которые действуют только в своем кадре, - немодальны.

Слова имеют смысл инструкций (например, при задании типа перемещений вдоль координатных осей X, Y, Z, С) или специальный функций (например, при назначении подачи, частоты вращения и др.).

G-адреса. G-адреса используют, например, для программирования типа перемещения (с линейной или круговой интерполяцией, и др.). Слова с G-адресами относятся к числу инструкций, которые называют подготовительными функциями. Подготовительные функции разбиты на группы; причем функции из разных групп взаимно независимы. С другой стороны, G-функции одной и той же группы взаимно модальны, т.е. действуют до отмены или замены G-функцией из той же группы. В кадре может быть представлена только одна G-функция из своей группы.

Адреса X, Y, Z, С и др. Эти адреса используют для обозначения координатных осей, вдоль которых осуществляются перемещения. Пример: N G60 Х10 Y10 В135; где X, Y - координатные оси подачи; B1 - ось вспомогательных перемещений.

Специальные функции. Примерами адресов специальных функций могут послужить: F (подача), S (частота вращения шпинделя), M (вспомогательная функция; связанная, например, с управлением электроавтоматикой), Т (выбор инструмента). В примере показан кадр, в котором присутствуют позиционная информация и специальные функции: G01 Х40 Y50 F250 S500 T05 M03. Здесь задано перемещение Х40 Y55 (траекторная информация); а также и специальные функции: подачи F250, частоты вращения шпинделя по часовой стрелке S500; функции инструмента Т05б обеспечивающей его доступность в инструментальном магазине.

Номера кадров. Именем кадра, открывающим кадр слева в строке, служит его номер. Имя состоит из адреса N и собственно номера (например, N10). Нумерация облегчает чтение программы. Принято нумеровать кадры последовательно, по возрастающей степени, с приращением 10 (например, N10 N20 N30 и т. д.). При этом возникает возможность включать дополнительные кадры при редактировании программы. При ветвлениях и переходах программы номера кадров служат метками. Номера кадров используют также и в циклах, и в подпрограммах.

Комментарии. Комментарии служат для пояснений и документирования. Хорошо комментированная программа служит прообразом для других программистов при любых изменениях программы. Однако каждый символ комментария увеличивает длину файла управляющей программы на один байт. Комментарии указывают в скобках или предваряют кавычками. Комментарии в скобках игнорируются системой ЧПУ, а предваряемые кавычками - визуализируются на экране монитора.

Работа управляющей программы. При отсутствии инструкций, управляющих потоком кадров, кадры отрабатываются последовательно один за другим. Эта последовательность может быть нарушена инструкциями: пропуска кадров, вызова подпрограмм, перехода к другим кадрам.

Если кадры программы помечены соответствующим образом (/), то система управления проигнорирует их, если активен сигнал Skip.

Подпрограммы. Если какая-то часть технологического процесса повторяется, ее целесообразно оформить в виде подпрограммы, которая вызывается по мере надобности. Существуют два способа вызова подпрограммы: с P адресом или без него. Синтаксис вызова подпрограммы с P-адресом выглядит так: Р<имя_подпрограммы> DIN; где DIN означает, что все кадры подпрограммы написаны в коде DIN 66025 (ISO 6983), т.е. в коде ISO-7bit.

Подпрограммы могут быть также вызваны под G и M адресами (об этом далее). Подпрограммы можно вызывать и без Р-адреса: в этом случае достаточно указать имя подпрограммы. Кроме того, 16 G-функций зарезервированы для вызова подпрограмм. Как правило, основная программа, кадры подпрограммы и циклы исполняются в том порядке, в каком они запрограммированы. Порядок может быть нарушен переходами, условными и безусловными. Инструкции перехода зависят от конкретной системы ЧПУ и выходят за рамки стандарта DIN 66025 (ISO 6983).

4.2. Координатные оси и координатные системы

Физические и логические оси. Приводы станка относятся к приводам подачи и главного движения. Приводы подачи определяют положение в рабочем пространстве станка. Различают физические и логические координатные оси. Физические оси называют также системными. Они группируются по каналам ЧПУ; причем в рамках канала координатные оси находятся в единообразном технологическом отношении друг к другу. Таким образом, группы осей могут работать (выполнять технологические операции) независимо и параллельно. Физические оси, не привязанные к каналу, называют асинхронными, или вспомогательными. Вспомогательные оси служат, к примеру, для организации перемещений в механизмах смены инструмента.

Отдельные оси внутри группы канала ЧПУ называют логическими. Они объединены интерполяционными алгоритмами, и в этой связи их называют также синхронными осями. Логические оси канала имеют индексы. Связывание физических и логических осей осуществляют при помощи так называемых «машинных параметров» станка.

Координатная система.

Обычно используют вправо-ориентированную координатную систему (рис. 4.1), в которой предусмотрены линейные перемещения вдоль координат Х, Y и Z; каждая из которых связана с круговыми вращениями поворотных осей А, В и С.

Рисунок 4.1 – Координатная система станка

Если станок имеет единственный шпиндель, то Z-ось параллельна оси шпинделя; в противном случае она перпендикулярна плоскости зажима детали. Положительные направления осей соответствуют относительному движению инструмента и заготовки. Х-ось расположена в горизонтальной плоскости – плоскости зажима заготовки. Соответственно определяется Y-ось. Оси Х, Y и Z являются главными. Кроме того, возможны параллельные управляемые оси (рис. 4.2), которым придают адреса U, V, W. Поворотные движения, привязанные к базовым координатам, имеют адреса. А, В и С.

Положительное направление поворотных осей соответствует движению против часовой стрелки, если смотреть со стороны положительного направления соответствующей прямолинейной оси. Оси, параллельные основным Х, Y, Z имеют адреса U, V и W, а если существуют дополнительные параллельные координатные системы, то они имеют адреса Р, Q и R.

Рисунок 4.2 – Расположения параллельных и поворотных осей

Координатные системы.

Для того, чтобы исполнять управляющую программу без всяких изменений по отношению к чертежу, приходится определить несколько координатных систем. Некоторые из них машинно-независимы, другие же определяются свободно. Переход от одной координатной системы к другой называется координатным переходом.

Осевая координатная система ACS.

Совокупность осей любого канала образует «осевую координатную систему» ACS (Axes Coordinate System). Заданное движение вдоль координаты осевой координатной системы воспроизводится путем движения привода одной физической оси.

Машинная координатная система MCS.

Осевая координатная система зависит от типа и кинематики технологической машины, а потому имеет небольшое значение при спецификации движений, связанных с обработкой деталей. По этой причине, используют так называемую MCS (Machine Coordinate System), привязанную к каналу. Как правило, эта система - декартова, следовательно, не зависит от кинематики технологической машины.

У каждого канала может быть своя машинная координатная система. Ее нулевую точку М называют машинной.

Отношение между осями машинной и осевой координатных систем называется осевой (или «обратной») трансформацией. На рисунке 4.3 представлены примеры подобных отношений.

Рисунок 4.3 – Отношения между осями координатных систем

Относительную нулевую точку называют R и обозначают т. Она служит для установления связи между нулем машинной координатной системы и точкой автоматического выхода в нуль следящих приводов подачи в том случае, если датчики обратной связи по положению следящих приводов работают по приращению (т. е. в относительной системе измерения). Приводы должны быть выведены в относительную точку при включении и выключении питания на станке. В этом нет необходимости, если приводы подачи располагают абсолютной измерительной системой.

Координатная система детали WCS.

Координатную систему детали WCS (Workpiece Coordinate System) назначают свободно в зоне машинной координатной системы. Нулевую точку координатной системы детали называют W. Можно определить несколько аддитивно связанных между собой координатных систем деталей.

Координатная система управляющей программы PCS.

Координатной системой управляющей программы PCS (Program Coordinate System) называют такую координатную систему детали WCS, индекс которой имеет максимальное значение: Wi, где i=max. Нулевую точку координатной системы PCS называют Р и обозначают символом Все запрограммированные координаты управляющей программы соотносятся с нулевой точкой P. Координатную систему PCS, как и WCS, можно свободно назначать и поворачивать в зоне машинной координатной системы WCS.

Координатная система инструмента TCS.

Координатная система инструмента TCS (Tool Coordinate System) определяет положение и ориентацию инструмента в машинной координатной системе. Нулевую точку координатной системы называют Т. Размеры инструмента (для трехкоординатного станка) задают по отношению к фиксированной точке, определяющей зажим инструмента.

В разных случаях, показанных на рисунке 4.4, точка T может совпадать с точками N или E.

Рисунок 4.4 – Расположение точек зажима и инструмента

Трансформация координат: машинные координаты, координаты детали и координаты управляющей программы.

Абсолютные значения координат обычно определены в машинной системе координат по отношению к нулевой точке M. Из практических соображений, все размеры и перемещения, указанные в управляющей программе, заданы по отношению к нулевым точкам P или W. При этом управляющие программы развязаны с машинными координатами. Благодаря программным смещениям, можно выполнять управляющую программу в любой зоне машинной системы координат без изменения размеров, указанных в управляющей программе. Если программные смещения отсутствуют, то все координаты управляющей программы интерпретируются как машинные. Для программного смещения нуля детали предусмотрены следующие инструкции.

• G53, G54... G59. Смещение нуля ZS (Zero Shift).

• G153, G154...G159. Первое аддитивное смещение нуля ZS.

• G253, G254...G259. Второе аддитивное смещение нуля ZS.

• G160, G260, G360, G167. Смещение нуля по внешней команде.

Положение детали может быть скорректировано путем смещения нуля ее координатной системы в плоскостях (Х/Y, Х/Z, Y/Z) и путем поворота в плоскости (Х/Y) с помощью следующих инструкций.

• G138, G139. Коррекция (компенсация) положения детали.

Для коррекции положения детали путем смещения нуля ее координатной системы и поворотов в плоскостях (Х/Y, Х/Z, Y/Z) используют такие инструкции.

• G353, G354, G359. Наклон плоскости.

• G453, G454, G459. Первый аддитивный наклон.

• G553, G554, G559. Второй аддитивный наклон.

Как уже отмечалось, последняя координатная система, из серии координатных систем детали, называется координатной системой управляющей программы. При смещении ее нуля по отношению к координатной системе детали используют следующие инструкции.

• G169, G168. Смещение нуля координатной системы управляющей программы.

• G269, G268. Аддитивное смещение нуля.

Рисунок 4.5 иллюстрирует применение отдельных инструкций.

Рисунок 4.5 – Применение инструкций смещения и наклона осей

Активизация смещений.

Активизация смещений зависит от тех или иных G-функций; она возможна при помощи «таблиц смещения нуля», при помощи первого и второго аддитивных смещений нуля ZS. Таблицы смещения нуля используют для хранения смещений между нулевой точкой M, с одной стороны, и нулевыми точками P или W. Если соответствующее значения смещения активизировано, то это значение автоматически добавляется системой ЧПУ к каждому абсолютному значению координаты в управляющей программе. Таблицы смещения нуля представлены в файловой системе системы ЧПУ в форме ASCII файлов. Функция G22 активизирует эти таблицы в каждом канале. Работа всех остальных G-функций рассмотрена в разделе программирования G-функций. Смещение нуля по внешней команде инициируется программируемым контроллером.

Процедура определения и сохранения смещений продемонстрирована на рисунке 4.6. Сохранение осуществляется путем записи смещений в таблицу.

Рисунок 4.6 – Принцип измерения и сохранения смещений

Функции компенсации инструмента.

Функцию инструмента обозначают адресом Т некоторым числом (например, слово Т9 представляет собой инструмент номера 9). Инструментальный комплект состоит из инструмента и инструментальной державки.

В процессе обработки режущая кромка инструмента должна точно следовать вдоль запрограммированной траектории. В силу различия используемых инструментов, их размеры должны быть учтены и введены в систему управления перед началом воспроизведения программы. Только в этом случае траектория может быть рассчитана безотносительно к параметрам используемых инструментов. После того, как инструмент установлен в шпиндель и активизирована соответствующая коррекция (компенсация его размеров), система ЧПУ автоматически принимает в расчет эту коррекцию.

Функции D и H компенсации инструмента.

Функция H осуществляет компенсацию длины, а функция D - компенсацию радиуса (см. рис.4.7).

Рисунок 4.7 – Параметры инструмента, которые можно компенсировать

Компенсация длины возможна двумя способами: по отношению к передней плоскости шпинделя (см. рис. 4.8) и по отношению к «нулевому инструменту» (см. рис. 4.9).

В обоих случаях величины компенсации сохраняются в соответствующей таблице. На рисунке 4.8 для Т01 – H1 =70.8320; для Т02 – H2 = 81.7120; для Т03 – H3 = 100.0030. Как видим, знак компенсации здесь может быть только положительным.

Во втором случае выбирают «нулевой инструмент», торцевая плоскость которого WSN (Workplane for Setting Null) служит для настройки и определения компенсации для всех остальных инструментов. «Нулевой инструмент» (Т02 на рис. 4.9) имеет нулевое значение компенсации. Знак компенсации может быть положительным или отрицательным. Например: для Т01 – H1=-20.813; для Т02 – H2 = 0; для Т03 – H3 = 25.821.

Рисунок 4.8 – Компенсация по отношению к плоскости шпинделя

Рисунок 4.9 – Компенсация по отношению к «нулевому инструменту»

Центр фрезы движется по эквидистантной траектории, параллельной контуру детали, отстоящей от нее на величину, равную радиусу фрезы. Эквидистантную траекторию называют также траекторией центра фрезы. Значения компенсации для различных инструментов вносят в таблицу; например: для Т01 – D1 = 14 (при диаметре фрезы 28 мм); для Т02 – D2 = 22 (при диаметре фрезы 44 мм). Детали эквидистантной коррекции (компенсации) будут рассмотрены при анализе G-инструкций G40, G41 и G42.

Внешняя компенсация инициируется программируемым контроллером с помощью G-инструкций G145 и G845.

Так называемая «комплексная компенсация» представляет собой набор компенсационных данных для 3D-коррекции инструмента; или, например, для компенсации на длину в операциях с несколькими сверлами. Этот вид компенсации активизируется G-инструкциями G147 и G847. Комплексная компенсация может включать коррекцию на расположение режущей кромки.

Траектории движения (типы интерполяции).

Линейная интерполяция предполагает движение по прямой линии в трех-координатном пространстве. Перед началом интерполяционных расчетов система ЧПУ определяет длину пути на основе запрограммированных координат. В процессе движения осуществляется контроль контурной подачи так, чтобы ее величина не превышала допустимых значений. Движение по всем координатам должно завершиться одновременно.

При круговой интерполяции движение осуществляется по окружности в заданной рабочей плоскости. Параметры окружности (например, координаты конечной точки и ее центра) определяются до начала движения на основе запрограммированных координат. В процессе движения осуществляется контроль контурной подачи так, чтобы ее величина не превышала допустимых значений. Движение по всем координатам должно завершиться одновременно.

Винтовая интерполяция представляет собой комбинацию круговой и линейной. В процесс интерполяции вовлекаются синхронные координатные оси; например, X, Y и Z. Вспомогательные (асинхронные) координатные оси в процесс интерполяции не вовлекаются. Примером движения вдоль асинхронной оси может служить позиционирование инструментального магазина. Axes used as auxiliary axes (positioning of the tool magazine, e.g.) are called "asynchronous axes". При задании скорости подачи асинхронной оси используют адрес FA.