1.3 Логическая задача чпу

Функции ЧПУ далеко не исчерпываются выполнением основных операций обработки деталей по заданной программе. Многие операции, автоматизированные на станках, являются вспомогательными. Их часто называют операциями технологического обеспечения.

К числу таких вспомогательных операций относятся: управление автоматической сменой инструмента; управление переключениями в приводах подачи, связанными с ограничением рабочей зоны; управление переключателями в приводе главного движения; управление зажимными приспособлениями, охлаждением, смазыванием, перемещением ограждения и др. Все эти функции выполняются системой цифровой электроавтоматики, которая обеспечивает подготовку к работе, работу станка в заданных режимах, индикацию состояния электрооборудования станка и самой системы автоматики во всех режимах, выход из аварийных ситуаций, хранение информации при отключении питания, защиту электрооборудования и др.

Таким образом, под системой цикловой электроавтоматики понимают систему автоматического управления механизмами и группами механизмов, поведение которых определяется множеством дискретных операций с отношениями следования и параллелизма. Причём отдельные операции инициируются электрическими управляющими сигналами, а условия их смены формируются под влиянием так называемых осведомительных сигналов, поступающих со стороны объекта управления.

Системы цикловой электроавтоматики создают для решения логической задачи ЧПУ. Эта задача распадается на большое число как независимых, так и связанных между собой (через взаимные блокировки) подзадач, где отдельная подзадача описывает циклический процесс некоторого дискретного механизма (объекта) на станке.

Все сложные циклические процессы, выполняемые на станке с ЧПУ, можно представить в виде циклов автоматики и операций. Циклом автоматики станка с ЧПУ называют последовательность действий, вызываемых по имени одним из трёх следующих информационных слов управляющей программы: «Скорость главного движения», «Функция инструмента», «Вспомогательная функция». Цикл автоматики состоит из операций, причём под операцией можно понимать любое независимое действие дискретного механизма, выполняемое одним двигателем, открываемое самостоятельным сигналом, подтверждаемое или не подтверждаемое при закрытии осведомительным сигналом.

Информационное слово «Скорость главного движения» начинается с адреса S, за которым следует комбинация цифр, определяющая в разных случаях либо скорость резания, либо частоту вращения шпинделя. Для кодирования скорости главного движения применяют методы прямого обозначения, геометрической и арифметической прогрессий, символический.

Метод прямого обозначения наиболее нагляден: слово S800 означает, например, вызов цикла, устанавливающего частоту вращения 800 мин. При кодировании методом геометрической прогрессии частоту вращения обозначают условным кодом 00,…,98, а истинные значения образуют геометрическую прогрессию 0; 1; 1,12; 1,25; 1,40; …; 80000. Кодирование методом арифметической прогрессии предусматривает условную запись, первая цифра которой представляет десятичный множитель, а последующие обозначают кодируемое число (десятичный множитель указывает на положение запятой в кодируемом числе). Символический метод состоит в чисто условном кодировании, смысл которого раскрывается в инструкции по программированию.

Информационное слово «Функция инструмента» начинается с адреса Т, за которым следуют одна или две группы цифр. В первом случае слово указывает только номер вызываемого инструмента, а номер корректора для этого инструмента определяется другим словом с адресом D. Во втором случае вторая группа цифр определяет номер корректора длины, положения или диаметра инструмента. Например, в слове Т1218: Т – адрес, 12 – номер инструмента, 18 – номер корректора.

Информационное слово «Вспомогательная функция» определяет разнообразные команды цикловым механизмам станка и самому устройству ЧПУ. Вспомогательные функции задают словами с адресом М и условной двухзначной кодовой комбинацией 00,...,99. Некоторые общепринятые вспомогательные функции приведены в таблице 1.1. При создании нового станка и устройства ЧПУ для него вводят и другие вспомогательные функции.

Таблица 1.1  Значения некоторых вспомогательных функций

Функция	Название	Значение
M00	Программируемый останов	Останов без потери информации по окончании отработки кадра, после чего происходит останов шпинделя, системы охлаждения, подачи
M01	Останов с подтверждением	Аналогично M00, но выполняется только при предварительном подтверждении с пульта
M02	Конец программы	Завершение отработки программы детали и останов шпинделя, подачи, выключение системы охлаждения после выполнения всех команд в кадре
M03(M04)	Вращение шпинделя по часовой стрелке (против часовой стрелки)	Включение шпинделя в направлении, при котором винт с правой резьбой ввинчивается в заготовку (вывинчивается из заготовки)
M05	Останов шпинделя	Останов шпинделя, выключение системы охлаждения
M06	Смена инструмента	Вызов цикла смены инструмента
М07, М08, М50, М51	Включение системы охлаждения	Включение соответственно системы охлаждения 1, 2, 3, 4
М09	Выключение системы охлаждения	Отмена команд М07, М08, М50, М51
М10(М11)	Зажим (разжим)	Команда на зажим (разжим) обрабатываемой детали
М13(М14)	Вращение шпинделя	Включение вращения шпинделя по часовой стрелке (против часовой стрелки), включение системы охлаждения

Дискретные механизмы станка можно разделить на следующие функциональные группы:

– привод главного движения и шпиндель;

– дискретная группа в приводах подачи;

– механизм автоматической смены инструмента;

– механизм автоматической смены заготовки;

– зажимные приспособления станка;

– механизм уборки стружки;

– система охлаждения;

 люнеты;

– задняя бабка и пиноль токарного станка и др.

Отдельные механизмы могут выполнять не один, а несколько взаимоисключающих циклов, называемых ортогональными. В качестве примеров ортогональных групп циклов можно привести группу циклов выбора направления вращения и останова шпинделя (имена циклов М03…М05), группу циклов смены диапазонов частоты вращения шпинделя (имена циклов М38, М39 не показаны в таблице 1.1).

Таким образом, общая структура вспомогательного технологического обеспечения построена по иерархической схеме: функциональные группы дискретных механизмов, ортогональные группы циклов автоматики для каждого механизма, операции каждого отдельного цикла автоматики.

Рассмотрим дискретный механизм автоматической смены инструмента (рису- нок 1.13).

Рисунок 1.13 – Механизм автоматической смены инструмента

Автоматическая смена осуществляется в рамках двух независимых циклов: цикла поиска нужного инструмента в магазине (вызываемого по имени, состоящего из адреса Т и кода разыскиваемого инструмента) и цикла смены инструмента (вызываемого по име- ни М06).

Цикл поиска нового инструмента обычно совмещен с обработкой предыдущим инструментом. Цикл М06 организован следующим образом. В исходном положении схваты 1 и 8 автооператора 12 находятся на небольшом расстоянии соответственно от магазина 13 и шпинделя 14. По команде М06 на смену инструментов оба схвата одновременно подаются с помощью гидроцилиндров 2 и 9 к инструментальным оправкам и захватывают их (в каждом схвате имеется рычаг-защелка). Вслед за этим рычаги гидроцилиндрами схватов синхронно поворачиваются гидроцилиндром 11 вокруг вертикальных осей 3 и 10, извлекая оправки с инструментами из магазина и шпинделя. Для смены инструментов корпус 4 автооператора поворачивается на 180° с помощью зубчатого колеса 6 и реек, связанных с гидроцилиндрами 5 и 7. После этого рычаги схватов, поворачиваясь вокруг своих осей, вводят инструменты в магазин и шпиндель.

Инструментальные магазины оснащают обычно реверсивными приводами, и поиск инструмента в этом случае целесообразно вести по кратчайшему пути. На рисунке 1.14 показана обобщенная схема магазина, которая представляет собой круг с разбивкой на заданное число N позиций, соответствующее числу гнезд в магазине (на схеме N=16). Исходная позиция, в которой выполняется смена инструмента, обозначена треугольником.

Анализ схемы показывает, что вращение по часовой стрелке необходимо выполнять, если Nз>Nисх и Nз-Nисх<N/2; если Nз<Nисх и Nисх-Nз>N/2, где Nз – номер гнезда магазина, поиск которого задан именем цикла с адресом Т; Nисх – номер гнезда магазина, расположенного в исходной позиции. При невыполнении этих условий вращение осуществляется против часовой стрелки.

Рисунок 1.14 – Обобщенная схема инструментального магазина

Разработке системы цикловой электроавтоматики предшествует формальное описание дискретных механизмов в трёх режимах: автоматическом, наладочном (т.е. режиме ручного управления), режиме нерегулярных ситуаций. В описаниях должна быть предусмотрена возможность перехода из режима в режим путём выделения состояний механизма, допускающих такой переход (выделение состояний выполненных циклов).

Рассмотрим традиционное алгоритмическое описание в автоматическом режиме цикла работы револьверной головки токарного станка с ЧПУ (рисунок 1.15).

Рисунок 1.15 – Алгоритм цикла смены инструмента с помощью револьверной головки

По команде с адресом Т на смену инструмента инициируется автоматический цикл, который начинается с анализа кода Nф рабочей позиции револьверной головки. Если этот код совпадает с кодом позиции Nз, в которой находится вызываемый инструмент, заданный в управляющей программе ЧПУ, то подтверждается выполнение команды. В противном случае с помощью электромагнита ЭМ1 производится разжим револьверной головки, подтверждаемый конечным выключателем В1.

Далее должна быть вызвана вычислительная процедура, определяющая направление вращения головки к заданной позиции, после чего включаются соответственно электромагниты ЭМ2 (поворот против часовой стрелки) или ЭМ3 (поворот по часовой стрелке). При всяком прохождении позиции возможной фиксации срабатывает конечный выключатель В2 и осуществляется проверка совпадения кодов Nз=Nф. Если совпадения не произойдет в течение заранее установленной выдержки времени, то это будет свидетельствовать об отказе, который будет обработан в режиме нерегулярной ситуации. Совпадение кодов означает достижения заданной позиции, в которой отключаются электромагниты ЭМ2 или ЭМ3 (в зависимости от направления вращения). Затем выключается электромагнит ЭМ1, а головка зажимается. Подтверждением нормального зажима будет сигнал от конечного выключателя В3.

Воспользуемся более наглядным и в большей степени формализованным описанием автоматического режима смены инструмента. Основными компонентами такого описания будут выполняемые револьверной головкой операции. Дополнительными компонентами такого описания будут вычислительные процедуры, которые могут потребоваться на стыке отдельных операций.

В качестве изобразительных средств для описания циклов привлечём графы, вершинам которых поставим в соответствие выполнение операций или процедур, а дугам – условия завершения операций или процедур.

Составим таблицу операций и процедур, необходимых для автоматической смены инструмента, а также условий завершения операций и процедур. Таблица 1.2 составлена применительно к рассматриваемому примеру.

Граф цикла автоматической смены инструмента показан на рисунке 1.16.

Рисунок 1.16 – Граф цикла механизма автоматической смены инструмента

Таблица 1.2 – Операции и процедуры автоматической смены инструмента

Операция и процедура		Завершение операции или выход из процедуры
Описание	Обозначение	Описание	Обозначение
Анализ возможности инициации автоматического цикла	{Z1}	Отсутствие блокирующих признаков, разрешение на продолжение	x1
Разжим револьверной головки, осуществляемый при включении ЭМ1*	{Z2}	Срабатывание конечного включателя B1	x2
Определение направления вращения револьверной головки	{Z3}	Формирование признака «Вращение по часовой стрелке»	x3
Вращение по часовой стрелке ЭМ3*	{Z4}	Срабатывание конечного выключателя B2 при повороте головки в очередную позицию	x4
Вращение против часовой стрелки при включении ЭМ2*	{Z6}
Определение совпадения кодов заданной и фактической позиций	{Z5}	Формирование признака «Совпадение кодов»	x5
Выключение вращения (ЭМ2, ЭМ3). Зажим револьверной головки, осуществляемый при выключении ЭМ1	{Z7}	Срабатывание конечного выключателя B3	x6
Анализ неизменности состояния после выполнения цикла		Формирование признака «Состояние неизменно»	x7
* Признак операции

Граф получен сцеплением вершин, помеченных состояниями α_k. Начальной вершине графа приписано состояние T, что означает: из этого состояния может быть инициирован цикл с адресом T. Конечная вершина графа также обозначена T, это свидетельствует о полном завершении автоматического цикла. Все другие обозначения на графе соответствуют обозначениям в таблице 1.2.

П усть вызван цикл по имени T6, что означает необходимость поворота револьверной головки в шестую позицию. По условию T6 осуществляется переход в состояние α₁, в котором предусмотрена возможность блокировки цикла со стороны других механизмов. Из вершины исходят две дуги. Вторая дуга, переход по которой выполняется при наличии блокирующих признаков, замыкается на исходную вершину.

П о мере последовательных переходов от вершины к вершине достигается та, в которой цикл завершён. Техническими требованиями нередко оговаривают неизменность состояния механизма после выполнения цикла. В этом случае из вершины, определяющей завершение цикла (на рисунке 1.16 вершина T), предусматривают переход в режим нерегулярных ситуаций. В данном примере такой выход произойдёт при условии ẍ₇.

Достоинством данного описания является неизменная структура базового элемента – вершины с системой входов-выходов, с регулярным описанием состояния.

Обобщённая структура базового элемента показана на рисунке 1.17, где x_i – условие входа в операцию (процедуру); x_j – условие благоприятного завершения операции или формирование признака выхода из процедуры; x^ˉ_j – отсутствие условий, необходимых для завершения операции или выхода из процедуры; α_k – обозначение состояния (этапа) выполнения цикла; {Z_l} – имя выполняемой в данном состоянии операции или процедуры.

Рисунок 1.17 – Базовый элемент графа цикла

Граф описания ручного режима задаёт допустимую последовательность операций и процедур, инициируемых органами ручного управления. Пусть для рассматриваемой револьверной головки предусмотрены две команды для ручного управления: х₃ – поворот головки в соседнюю позицию по часовой стрелке, х₉ – поворот головки в соседнюю позицию против часовой стрелки.

Способ формирования команд ручного управления (от кнопок, клавишей, тумблеров) значения на этом этапе анализа не имеет. Граф описания ручного режима будет иметь вид, представленный на рисунке 1.18.

Рисунок 1.18 – Граф описания ручного режима смены инструмента

Описание нерегулярной ситуации (рисунок 1.19) преследует две цели. Во-первых, по признаку попадания в нерегулярную ситуацию (обозначим х₁₀) идентифицируется текущее состояние механизма. В графе на рисунке 1.19 это делается в рамках состояния α₈ путём выполнения процедуры {Z₉}, которая введена для этого режима дополнительно. Во-вторых, задаются операции, посредством которых механизм переводится в состояние выполненного цикла. Режим нерегулярных ситуаций позволяет привести все дискретные механизмы в «порядок», т.е. в такие состояния, которые доступны управлению в автоматическом режиме.

Рисунок 1.19 – Граф описания нерегулярной ситуации механизма смены инструмента

Покажем далее, что графам описания поведения механизма в любом режиме соответствует удобная аналитическая запись. Заметим, что для источника α_k преемником будет α_k+1 (при выполнении условия x_j) и α_k (при невыполнении условия x_j).

Имея в виду связь источника с вероятными преемниками, можно составить аналитическое описание базового элемента в таком виде:

α_k, если x_j, то {Z_l+1} на α_k+1;

α_k, если ẍ_j, то {Z_l} на α_k.

Формат такого описания в обобщенном виде выглядит следующим образом:

обозначение состояния-источника

если

условие завершения операции или формирования признака выхода из процедуры

то

имя выполняемой в состоянии-преемнике операции или процедуры

на

обозначение состояния-преемника

Обратившись вновь к рассматриваемому примеру, составим аналитическое описание поведения револьверной головки во всех трех режимах: автоматическом, режиме ручного управления, режиме нерегулярных ситуаций.

Аналитические записи с учетом приведённых выше соглашений полностью соответствуют графам на рисунках 1.16, 1.18, 1.19.

Автоматический режим

T если T6 то {Z₁} на α₁

α₁ если x₁ то {Z₂} {Z₃} на α₂

α₁ если ẍ₁ то {Z₁} на α₁

α₂ если x₂x₃ то {Z₄} на α₃

α₂ если x₂ẍ₃ то {Z₆} на α₅

α₂ если ẍ₂ то {Z₂} {Z₃} на α₂

α₃ если x₄ то {Z₅} на α₄

α₃ если ẍ₄ то {Z₄} на α₃

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Наладочный режим (режим ручного управления)

T если x₁x₈ то {Z₂} на α₂

T если x₁x₉ то {Z₂} на α₂

T если ẍ₁ то {Z₁} на T

α₂ если x₂x₈ то {Z₄} на α₃

α₂ если ẍ₂ то {Z₂} на α₂

- - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - -

Режим нерегулярных ситуаций

α₈ если x₁₀ то {Z₉} на α₉

α₈ если x₇ то на T

α₈ если x₂ ẍ₄ то {Z₄} на α₃

α₈ если x₂x₄ то {Z₇} на α₄

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Для описания циклов и операций автоматики может быть применён также формализм сетей Петри.

Из вышеизложенного следует, что существует возможность независимой разработки многочисленных отдельных циклических процессов с установлением впоследствии необходимой связи между ними.

Обобщенной моделью решения логической задачи ЧПУ может послужить функциональный автомат (рисунок 1.20).

Под функциональным автоматом (рисунок 1.20 а) подразумевают автономные устройства (комплекс устройств) с четко выраженными целевыми функциями работы, в котором можно выделить исполнительную часть (операционный автомат) и управляющую часть (управляющий автомат). Операционный и управляющий автоматы обмениваются осведомительными (типы обратной связи) и управляющими сигналами между собой и с внешней средой.

При решении логической задачи ЧПУ в качестве операционного автомата выступают исполнительные цикловые механизмы объекта (станка), а функции управляющего автомата выполняет система цикловой электроавтоматики (рисунок 1.20 б). Множество двоичных или цифровых осведомительных сигналов x (от конечных и путевых выключателей, датчиков параметров), поступающих со стороны объекта, определяют его текущее состояние.

Множество управляющих сигналов у (типа «включить-выключить») поддерживают состояние объекта неизменным или переводят объект в новое состояние. Система цикловой электроавтоматики имеет и внешний интерфейс, получая извне, от других управляющих устройств, команды управления (например, имена вызываемых циклов), сообщая другим управляющим устройствам о своих состояниях (например, о выполнении полученного задания).

а)

а)

б) в)

б) в)

Рисунок 1.20 – Функциональный автомат как обобщенная модель решения логических задач ЧПУ: а) общая структурная схема функционального автомата; б) модель решения логических задач ЧПУ; в) система цикловой электроавтоматики как функциональный автомат

Внутренняя структура системы цикловой электроавтоматики также построена по типу функционального автомата (рисунок 1.20 в). Роль операционного автомата играет информационная модель поведения объекта, т.е. модель воспроизводимых циклов автоматики. Содержательная сторона этой модели рассмотрена выше в различных формах внешнего представления. Роль управляющего автомата играет система логического управления. В качестве управляющих сигналов выступают логические функции х, определяющие текущие состояния  воспроизводимых циклов автоматики в информационной модели и переходы между состояниями этой модели. В качестве осведомительных сигналов выступают имена вызываемых операций или процедур {Z}, которые являются функциями устойчивых состояний  циклов автоматики: {Z}=f(). В дальнейшем имена {Z} транслируются во внешние управляющие сигналы у. Некоторые состояния  информационной модели (например, начальные, заключительные состояния циклов) могут представлять интерес для внешних устройств управления. Внешние управляющие сигналы  поступают для начальной инициации циклов.

Общая конфигурация системы управления цикловой автоматикой показана на рисунке 1.21. В эту конфигурацию входят технологический пульт станка, система цикловой электроавтоматики, объект (представлены здесь компонентами систем управления на станке), устройство ЧПУ. В автоматическом режиме система управления электроавтоматикой получает от устройства ЧПУ команды  на запуск циклов, а сигналы  уведомляют устройство ЧПУ о завершении циклов на станке.

Рисунок 1.21 – Общая конфигурация системы управления цикловой автоматикой

В ручном режиме оператор с помощью органов управления технологического пульта или панели управления устройства ЧПУ вызывает отдельные переходы циклов или полные циклы командами u. Реакция системы цикловой электроавтоматики на нерегулярные ситуации (смена режима, нажатие кнопки аварийного останова, тайм-аут, срабатывание путевых ограничительных выключателей и др.) проявляется в остановке станка в текущей операции или переводе в заданное состояние. Во всех режимах система цикловой электроавтоматики воздействует на объект управления командами у. В результате управляющего воздействия выполняются вспомогательные операции технологического обеспечения, а по мере завершения отдельных стадий этих операций изменяются значения осведомительных сигналов x. Отработка операций на станке визуализируется с помощью средств индикации по сигналам υ, являющимся подмножеством множества у.

Один из вариантов взаимодействия системы цикловой электроавтоматики с устройством ЧПУ представлен на рисунке 1.21.

Полный обзор вариантов представлен на рисунках 1.22-1.25.

В первом варианте (рисунок 1.22) систему цикловой электроавтоматики строят в виде специализированного логического автомата и размещают в автономном шкафу электроавтоматики. Специализированный логический автомат может быть реализован на контактных элементах (реле), средствах бесконтактного управления (логических модулях, интегральных микросхемах) или с помощью программируемых контроллеров.

Во втором варианте (рисунок 1.23) система цикловой электроавтоматики встроена в устройство ЧПУ. Интерфейс с устройством ЧПУ обеспечивается с помощью программно-аппаратного окна. Типовыми решениями для специализированного логического автомата в этом случае являются микропрограммный автомат или встроенный программируемый контроллер.

Рисунок 1.22 – Структурная схема логической задачи с системой цикловой электроавтоматики в виде специализированного логического автомата в шкафу электроавтоматики

Рисунок 1.23 – Структурная схема логической задачи с системой цикловой электроавтоматики в виде специализированного логического автомата, встроенного в устройство ЧПУ

Рисунок 1.24 – Структурная схема логической задачи с выделенным для системы

цикловой электроавтоматики процессором мультипроцессорного устройства ЧПУ

В третьем варианте (рисунок 1.24) один из процессоров мультипроцессорного устройства ЧПУ резервируют за системой цикловой электроавтоматики. В составе устройства ЧПУ появляется встроенный функционально ориентированный модуль, программмное обеспечение которого и выполняет все необходимые функции.

В четвертом варианте (рисунок 1.25) функции системы цикловой электроавтоматики возлагают на процессор однопроцессорного устройства ЧПУ. Взаимодействие задач ЧПУ (геометрической, логической и других) осуществляется на программном уровне.

Рисунок 1.25 – Структурная схема логической задачи с процессором, разделяемым системой цикловой электроавтоматики

В заключение рассмотрим фазы решения логической задачи ЧПУ в автоматическом режиме.

Начальная фаза состоит во вводе управляющей программы в память устройства ЧПУ и последующей ее активизации. Логическая задача представлена в управляющей программе именами вызываемых циклов. Само же описание циклов, как это следует из предыдущих пояснений, уже заранее (на уровне стыковки системы управления со станком) введено в память и постоянно хранится там. Непосредственный вызов циклов производится из рабочего кадра управляющей программы. С этого момента начинается вычислительный процесс, состоящий в анализе осведомительных сигналов, выполнении переходов по циклу с одновременным вызовом необходимых операций и процедур, выдаче управляющих воздействий на станок.

Степень сложности логической задачи оценивают косвенно по числу входов-выходов системы цикловой электроавтоматики.