Переход вычислительной техники к большим интегральным схемам (БИС), микропроцессорным БИС и построенным на их основе микроЭВМ позволил создать УЧПУ, совмещающие функции управле­ния станком и решения отдельных задач подготовки УП. Наличие ЭВМ обеспечи­вает большие возможности УЧПУ. В табл. 2.2 приведены сравнительные пока­затели УЧПУ классов NC и CNC, а на рис. 2.19 показана типовая структура системы CNC. Ее основу составляют: микроЭВМ, запрограммированная на

Третье поколение с расширенными функциями

Четвертое поколение (микропроцессорное)

Пятое и шестое поколения (микропроцессорные, многоцелевые)

1Р22 2У32 2Р32

НЗЗ-Н; Н55-2;

«Курс УЗЗ-1;

1Н22; Н22-1М; «Луч-2Т»

НЗЗ-2; 1НЗЗ; 332»; Н55-1; УЗЗ-2

2П52; 2П62-ЗИ; «Размер 2М» «Электроника НЦ-31»; 2У22; 2Р22

2С42; 2С42-61; 2У32-61

То же

«Электроника НЦ80-31»; 2Р32М; 2У32-61; СЫС-Т(Ф) ИЦО-П; ИЦО-ПБ; ИЦО-П10-10; «Размер 5»; 2С85-61; 2С85-62; 2С85-63; 2С42-65; ЗС150-16 То же

2М-32 («Разряд-110»); 2М-43;

2М43-22

У55-2; «Размер 4»

2С85

Выполнение функций числового програм­много управления; блоки связи с коорди­натными приводами; блоки выдачи техно­логических команд в требуемой логиче­ской последовательности; системные ор­ганы управления и индикации; каналы обмена данными с центральной ЭВМ верхнего уровня.

Особенность с и с т е м класса CNC заключается в возможности изменять и корректировать в период эксплуатации (а не только в период проектирования и изготовления системы) как УП обра­ботки детали, так и программы функцио­нирования самой системы в целях макси­мального учета особенностей данного станка.

Каждая из выполняемых функций обеспечивается своим комплексом под­программ. Подпрограммы увязываются общей координирующей программой - диспетчером, осуществляющей гибкое взаимодействие всех блоков системы.

Программный комплекс системы уп­равления в настоящее время стремятся строить по модульному принципу. Основ­ные модули системы:

Программа управления загрузкой УП, включая подпрограммы ввода и расшиф­ровки кадра;

Программа управления станком, вклю­чающая подпрограмму управления коор­динатными перемещениями и подпро­грамму выполнения технологических ко­манд.

Программа управления координатны­ми перемещениями состоит из блоков интерполяции, задания скорости, управ­ления быстрым ходом, а эти блоки, в свою очередь, включают следующие модули:

Программу подготовки данных;

Организующую программу-диспетчер;

Драйверы — стандартные операторы для работы с внешними устройствами.

Общая структура алгоритма работы УЧПУ класса CNC приведена на рис. 2.20.

В запоминающее устройство системы CNC программа может быть введена полностью не только с подготовленной перфоленты, но и отдельными кадрами — вручную с пульта УЧПУ. В кадрах программы могут записываться не только команды на задания отдельных движений рабочих органов, но и команды, задаю­щие целые группы движений, называе­мые постоянными циклами, которые хра­нятся в запоминающем устройстве СПУ. Это приводит к резкому уменьшению числа кадров программы и к соответст­вующему повышению надежности работы станка.

Системы класса CNC позволяют до­статочно просто выполнять в режиме диалога доработку и отладку программ и их редактирование, используя ручной ввод информации и вывод ее на дисплей (на переносный графопостроитель), а также получать отредактированную и отработанную программу на перфоленте, магнитном диске, пленке и т. п. Кроме того, по одной программе можно работать в различных масштабах, в режиме «мат-

Блок управления приводом подач

S,M,T,E

Шшшш пшшп шшшшшпипш

Система управления ■ блоками ЧПУ

Промежуточная память

I

Интерполятор

П

А.

Блок управления приводом

Рис. 2.18. Схемная реализация алгоритмов УЧПУ класса NC (SNC)

ИШШШ ШШЕШ

Блок ввода

Блок декодирования

Ввод коррекций

Технологические команды

Блок	Согласования
Со	Станком

Г

О о

Фотосчитыватель с перфоленты

СИ) о Индикация

V

ООО

А сэ □ а а а □ □□□а сэ Клавиатура

МикроЭВМ: память Логические и арифметические операции операции ввода и вывода

Считыватель о Перфокарт

Пульт

Интерполя­		Интерполя­		Логичес­		Оптима­		Анализ
Ция и упра­		Ция и упра­		Кая пос­		Льная		Времени,
Вление при­		Вление лри -		Ледовате­		Обработ­		Состоя­
Водом по		Водом по		Льность		Ка		Ния
Оси 1		Оси N

L.

Команды управления

Команды управления

Считыватель о магнитных кассет

Датчик Датчик Сигналы Датчики Датчики

Графичес - кий дисплей □ ПОР

Обратной обратной состояния. и клавиатура

Связи связи Станок

Рис. 2.19. Упрощенная типовая структура УЧПУ класса CNC

Рис. 2.20. Структура алгоритма работы УЧПУ класса CNC первого поколения

NC

Таблица 2.2. Некоторые сравнительные показатели УЧПУ классов NC и CNC

Класс УЧПУ

Показатель

CNC

Стоимость Окупаемость

Расширение возможно - Ограниченное стей

Диагностика СЧПУ Нет

Сложности Высокая

Сбор производственной Нет информации

Оптимизация последова - Нет тельности обработки ин­формации Ввод информации

Перфолента Средняя

Сложность

Примерно одинаковая при одинаковом уровне функциональной

Высокая вследствие возможного сбора производ­ственной информации, приспособляемости к конкретным условиям, упрощения и облегчения отладки УП, экономии перфолент В цеховых условиях в УП можно внести много всяких добавлений Возможна Возможен

Возможна

Перфолента, магнитная лента, телетайп, видео­терминал, ручной ввод, сигналы внешней ЭВМ Высокая за счет сочетания аппаратуры и ма­тематического обеспечения

Рица — пуансон», в режиме зеркального отображения и т. д. В процессе работы допускаются самые различные виды коррекций.

Обладая сравнительно низкой стои­мостью, малыми габаритами и высокой надежностью, системы класса CNC по­зволяют заложить в систему управления новые свойства, которые раньше не могли быть реализованы. Так, многие УЧПУ этого класса имеют математическое обеспечение, с помощью которого можно учитывать и автоматически корректиро­вать постоянные погрешности станка и тем самым влиять на совокупность причин, определяющих точность обра­ботки (компенсация люфта или зоны нечувствительности приводов в направле­нии перемещения по координатам и др.). Использование систем контроля и диаг­ностики повышает надежность и работо­способность станков с УЧПУ на микро­процессорах. В функцию этих систем входит контроль состояния внешних по отношению к УЧПУ устройств, внут­ренних блоков и собственно УЧПУ.

Например, некоторые УЧПУ класса CNC имеют специальные тест-программы для про­верки. работоспособности всех структурных частей системы. Эти тест-программы отраба­тываются при каждом включении устройства, и в случае исправности всех частей возникает сигнал готовности системы к работе. В процес­се работы станка и УЧПУ тест-программы частями отрабатываются в так называемом фоновом режиме, не мешая отработке основ­ной управляющей программы. В случае появления неисправности на табло световой индикации возникает ее код, затем с помощью кода по таблице определяются место и при­чина неисправности. Кроме того, система определяет ошибки, связанные с неправильной эксплуатацией устройства или с превышением параметров теплового режима, позволяет найти напряжение для питания и другие параметры.

Неотъемлемой частью современных УЧПУ класса CNC является обширная встроенная память (до 256 Кбайт), которая может быть использована в ка­честве архива УП. К системе может при­лагаться широкий набор периферийных средств — как традиционных (фотосчи­тыватель, накопитель на магнитной ленте или гибких дисках, телетайп, перфора­тор), так и специальных (например,, графопостроитель, печатающее устройст­во, микропроцессорные средства диаг­ностического контроля, в том числе и допускающие связь с дистанционным диагностическим центром).

Весьма важным средством оптимиза­ции связи процессорного УЧПУ и станка является введение в память параметров или констант станка. С помощью этих констант могут быть автоматически учте­ны ограничения на зону обработки, за­даны требования к динамике конкретных приводов, сформированы фазовые траек-

_ I дед I _ ._______________________ к j--— I Sill iimi ^.^mmsj

Вычислительно-управленческий комплекс ,1

НМД

<—

I ч

РК

РК МбПД

МБПД

Цех

ЕЗ	В	И
		HI
1	У

Иоаапаораррррпрррррпррррррррорррропоооор№ршаооаашооооооооооооаа:

РК

РК МБПД

МБПД

Рис. 2.21. Структура системы группового управления станками (класс DNC):

/ — алфавитно-цифровой дисплей; 2,3 — устройства ввода-вывода данных; 4 — пульт управления; 5 — транспортное устройство; 6 — контрольно-измери -

Тельная машина; 7 — промышленный робот; 8 — станок с ЧПУ; 9 — микропроцессорное УЧПУ станком; УСО_____ устройство связи с объектом; УСС — устройство связи со станком; РВВ — расширитель ввода; МБПД — модуль быстрой подачи данных; НМД — нако­питель на магнитных дисках; ЦЭВМ — центральная управляющая ЭВМ; УУР — устройство управления роботом; РК — радиочастотный кабель

Тории разгонов и торможений, - учтены конкретные особенности коробок ско­ростей, приводов подач, скомпенсиро­ваны систематические погрешности этих передач и др.

Системами класса DNC (рис. 2.21) можно управлять непосредственно по проводам от центральной ЭВМ, минуя считывающее устройство станка. Однако наличие ЭВМ не означает, что необходимость в УЧПУ у станков, пол­ностью отпадает. В одном из наиболее распространенных вариантов [52] систем DNC каждый вид оборудования на участке сохраняет свои УЧПУ классов NC, SNC, CNC. Нормальным для такого участка является режим работы с управ­лением от ЭВМ, но в условиях временного выхода из строя ЭВМ такой участок сохраняет работоспособность, посколь­ку каждый вид оборудования может работать от перфоленты, подготовлен­ной заранее на случай аварийной си­туации.

В функции DNC входит управление и другим оборудованием автоматизиро­ванного участка, например автоматизи­рованным складом, транспортной систе­мой и промышленными роботами, а также решение некоторых организационно-эко­номических задач планирования и дис - петчирования работы участка. Состав­ной частью программно-математического обеспечения DNC может быть специали­зированная система автоматизации под­готовки УП. Редактирование УП в DNC возможно на внешней ЭВМ, на которой ведется автоматизированная подготовка УП, на ЭВМ, управляющей группой станков, и на ЭВМ, встроенной в УЧПУ конкретного станка. Во всех случаях под­готовленные и отредактированные УП для оборудования участка хранятся в памяти ЭВМ, управляющей группой станков, откуда они передаются на стан­ки по каналам связи.

Оперативные УЧПУ класса HNC позволяют ручной ввод программ в электронную память микроЭВМ с пуль­та УЧПУ. Программа, состоящая из достаточно большого числа кадров, легко набирается и исправляется с помощью клавиш или переключателей на пульте УЧПУ. После отладки она фиксируется до окончания обработки партии одинако­вых заготовок.

Первоначально УЧПУ класса HNC, имея упрощенную схему, в ряде случаев не обладали возможностью внесения кор­рекций, буферной памятью, вводным устройством с перфоленты и другими элементами.

Современные УЧПУ класса HNC построены на базе лучших УЧПУ класса CNC, лишь формально отличаясь от последних отсутствием ФСУ для ввода УП с перфолент. Но УЧПУ класса HNC имеют входное устройство для под­ключения переносных ФСУ и других внешних устройств. Новейшие модели УЧПУ класса HNC имеют повышенный объем памяти встроенной микроЭВМ. Подобные устройства позволяют вести программирование с пульта УЧПУ в ре­жиме диалога и при использовании боль­шого архива стандартных подпрограмм, хранящихся в памяти встроенной микро­ЭВМ. Эти подпрограммы по команде с пульта вызываются на экран дисплея, на экране высвечиваются как графика (схема обработки), так и текст (перечень необходимых данных для ввода в УЧПУ по выбранной подпрограмме). УЧПУ рассмотренного вида обеспечивают так­же автоматический выбор инструмента из имеющихся в наличии (в магазине станка), определяют режимы обработки выбранным инструментом для деталей из различных материалов, находят опти­мальную последовательность операций и т. д. В общем случае такие системы позволяют вести подготовку УП непо­средственно у станка по чертежу детали без каких-либо особых предварительных работ технологического характера. Это, естественно, накладывает повышенные требования на профессиональную под­готовленность оператора станка с ЧПУ. Ряд УЧПУ рассматриваемого класса позволяют вести программирование па­раллельно с работой станка по ранее отработанной и хранящейся в памяти УЧПУ программе, что исключает простои станков.

УЧПУ классов CNC, DNC, HNC относятся к устройствам с переменной структурой. Основные алгоритмы работы этих устройств задаются программно
(или аппаратно-программно) и могут изменяться для различных условий, что позволяет уменьшить число модификаций УЧПУ, ускорить их освоение, в том числе УЧПУ с самоподнастраивающимися ал­горитмами. УЧПУ этих классов имеют структуру, подобную структуре ЭВМ, и обладают характерными признаками вычислительной машины: их блоки и программируемые связи универсальны, все операции последовательно выпол­няются через центральное арифметиче­ское устройство, в их состав входят оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Чтобы универсальное по назначению вычислительное устройст­во выполняло вполне определенные функ­ции УЧПУ, оно должно быть соответст­вующим образом запрограммировано. Для этого подобные системы имеют спе­циальное математическое обеспечение, представляющее собой комплекс алго­ритмов переработки информации, посту­пающей в виде управляющей программы. Математическое обеспечение может вво­диться в систему через устройство ввода, как и основная управляющая програм­ма. Тогда система ЧПУ относится к клас­су свободно программируемых. В иных случаях математическое обеспечение закладывается в постоянную память системы на стадии ее изготовления. Од­нако во всех случаях существуют воз­можности для изменения, дополнения, обогащения этого математического обес­печения, в силу чего подобные УЧПУ обладают большой гибкостью и способ­ностью к функциональному наращива­нию. В этом несомненное преимущество таких систем перед системами, построен­ными по принципу цифровой модели. Недостатком систем, структурно подоб­ных ЭВМ, является последовательный характер выполнения всех операций. Поскольку каждой оперативной команде предшествует некоторый вычислительный цикл, возникают ограничения на частоту выдачи оперативных команд, связанные с конечным быстродействием системы. По этой причине получают распростра­нение и гибридные системы, в которых часть операций выполняется аппарат­ным, а часть — программным путем.

Из УЧПУ, структурно подобных ЭВМ, особенно перспективны те, которые име­ют расширенную оперативную память. В определенных зонах памяти можно хранить всю УП целиком (или даже несколько программ). Это дает два важ­ных преимущества: во-первых, появляют­ся широкие возможности для редакти­рования УГ1; во-вторых, из процесса отработки УП исключается покадровое считывание с перфоленты, потенциально несущее в себе вероятность сбоев.

Рис. 2.22. Структурная схема УЧПУ класса CNC (DNC, HNC) с микропроцессором на входе Т,

Наиболее законченное воплощение подобное направление получило в УЧПУ, располагающих микропроцессором на входе (рис. 2.22). Микропроцессорный узел обладает определенной автономией и решает задачи распределения в памяти больших массивов управляющей инфор­мации, обращения с широким набором периферийных средств, первичной пере­работки информации, предваряющей последующие вычисления. Управляющая программа располагается в памяти типа «для считывания и записи». Рабочие программы, обеспечивающие функцио­нирование микропроцессорного агрегата УЧПУ, размещены в памяти типа «для считывания», которая защищена от раз­рушения хранимой там информации. Ос­тальная часть УЧПУ может быть по­строена по типу цифровой модели или с использованием структурных компо­новок ЭВМ [51].

УЧПУ (рис. 2.24) на базе одной микроЭВМ может иметь встроенные местные автономные недорогие управ­ляющие средства — контроллеры, кото­рые разгружают микропроцессор ЭВМ от второстепенных операций. Контролле­ры представляют собой средства про­граммируемой логики (PLC) и конструк­тивно выполнены из отдельных блоков — модулей. При передаче по информацион­ному каналу инструкций от микропроцес­сора контроллер, имея много входов и вы­ходов каналов управления, переходит к самостоятельному обмену информацией с фотовводом, панелью управления, пери­ферийными средствами, приводами подач, с концевыми выключателями, элементами систем охлаждения и т. п. Например, контроллеры приводов подач осущест­вляют тонкую (окончательную) интер­поляцию, сравнение сигналов программы и обратной связи, формирование управ­ляющих воздействий на исполнительные регулируемые по скорости приводы, обеспечивают адаптивное управление. Контроллеры принимают сигналы от путевых датчиков, формируют отражение действительной информации на дисплее, обеспечивают функционирование систем смены инструмента, приспособлений. Отдельный контроллер может быть выде­лен на систему диагностики режущего инструмента, на систему контроля, на программные и станочные ограничения по пути и по скорости и т. п.

При наличии в УЧПУ контроллеров обмен информацией с ними может зани­мать до 10 % времени работы микро­процессора, а остальное время займут вычисления, связанные с оперативным управлением в соответствии с УП. Если же и при этом быстродействия в выдаче оперативных команд будет недоставать (например, при сложной криволинейной интерполяции), то работа УЧПУ может быть организована в режиме опережаю­щих расчетов с записью результатов в дисковой памяти (в несколько замедлен­ном против рабочего режима). Считыва­ние с дисков может затем осуществляться с той скоростью, которая необходима по технологическим соображениям.

В настоящее время наметилась тен­денция использовать контроллеры без базовой ЭВМ, как автономные свободно - программируемые средства управления. Обычно это применимо для управления несложным оборудованием.

Устройство управления Олок соям T ЩЬЫШ ''

Рис. 2.23. Структурная схема УЧПУ класса CNC с формированием программы при обра­ботке первой детали

УЧПУ оперативного типа имеет струк­турную схему, показанную на рис. 2.23. Главными элементами агрегата являются арифметический и управляющий микро­процессоры. Первый из них обеспечивает размещение и хранение в памяти вводи­мой с клавиатуры пульта информации, подготовку данных для интерполяции. Управляющий микропроцессор реализует стандартные циклы, согласует эти циклы с общей программой и др.

Пульт управления
Инди­кация	Клавиа­тура руч­ного ввода	Переклю­чатели режимов

Одним из вариантов применения микропроцессоров в системах управле­ния станками можно считать многопро­цессорные системы, состоящие из отдель­ных функциональных модулей [38]. Та­кие системы позволят использовать про­стые и дешевые микропроцессоры с огра­ниченным математическим обеспечением. Модули должны быть унифицированы и отличаться лишь заложенным в них математическим обеспечением. Каждый модуль должен занимать не более одной печатной платы. Функции, выполняемые модулями, можно разделить следующим образом:

Интерполяция;

Ввод, хранение и редактирование данных; формирование программы с учетом подпрограммы, постоянных цик­лов и т. п.;

Расчет коррекций на положение и раз­меры инструмента, учет погрешностей

Винтовых пар и датчиков, учет зазоров;

Связь с датчиками и управление приводами, ручное управление и цифро­вая индикация;

Связи и управление внешними уст­ройствами типа алфавитно-цифрового или графического дисплея, телетайпа, перфораторов, печати и т. п.;

Управление циклами электроавтома­тики;

Управление оборудованием, связан­ным со станками, например манипуля­торами, средствами активного контроля и т. п.;

Обработка данных, поступающих от датчиков адаптивного управления.

Модульное построение УЧПУ пред­определяет широкую номенклатуру си­стем управления с использованием огра­ниченного числа функциональных моду­лей. Упрощаются ремонт и обслуживание систем.

I

Системы ЧПУ класса MPST — децентрализованные мультипроцессор­ные, они используют большое число (десять — двенадцать) одинаковых или почти одинаковых вычислителей, по­строенных на микропроцессорных набо­рах и отличающиеся большим объемом памяти. Составляющие систему отдель­ные универсальные вычислители состоят, как правило, из арифметически-логиче­ского устройства (АЛУ), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), сверх­оперативного запоминающего устройства (СОЗУ), постоянного запоминающего ■устройства (ПЗУ) и блока микрокоманд­ного управления. Системы обладают большим количеством каналов управле­ния и могут обслуживать одновременно несколько станков при независимом со­ставлении для них УП.

Высшая точность описания траектории. СЧПУ, построенные на основе МГА, обладают при эквивалентных характери­стиках существенными технологическими преимуществами. Они содержат в 103— 105 раз меньше транзисторов и работают на более низких тактовых частотах по сравнению с системами ЧПУ классов CNC, MPST, что позволяет обойтись без многослойных печатных плат. Стои­мость систем на основе МГА в три-пять раз ниже, чем систем аналогового уровня классов CNC, MPST. Системы реализованы в виде моделей «Дель­та 122», «Дельта 422», Дельта 386», «МГА NC-АТ» и «СП-33» для управления станками и модели ПУУС-250М1 для управления автоматизированными скла­дами [23].