К контрольно-контрольно-курсовой работе

Методические указания

для подготовки бакалавров по направлению 15.03.05

«Технология машиностроения»

«Инструментальные системы машиностроительных производств»

 

очной, заочной форм обучения

 

 

Тула 2016

 

Разработали: Чечуга О.В.

к.т.н, доцент;

 

Заведующий каф. ТМС: А.А. Маликов

 

Содержание

 

1.Цель и порядок выполнения контрольно-курсовой работы…………………
2. Содержание и оформление контрольно-курсовой работы………………….
3. Методические указания по выполнению контрольно-курсовой работы…..
3.1. Анализ кинематики станка……………………………………...
3.2. Функциональная схема СЧПУ………………………………….
3.3. Схемы электроавтоматики и подключение СЧПУ к станку….
3.4. Разработка алгоритма и программы цикла позиционирования
4..Задание на курсовую работу
Список литературы………………………………………………….
Приложения

 

 

 

1.ЦЕЛЬ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНО- КУРСОВОЙ РАБОТЫ

 

Целью данной контрольно-курсовой работы является привитие у студентов навыков общего подхода к задачам работирования СЧПУ металлорежущими станками, а также навыков самостоятельной инженерной работы при решении конкретных задач по их разработке и эксплуатации. Контрольно-курсовой работ выполняется по одной из профилирующих дисциплин специальности 15.03.05 и рассчитан на применение студентами знаний и навыков, полученных при изучении таких дисциплин “Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов”, “Электроника и микропроцессорная техника систем управления”, “Теория автоматического управления” и др.

Организация выполнения контрольно-курсовой работы строится по принципу консультаций и самостоятельной работы студентов. Преподаватель осуществляет поэтапный контроль графика выполнения курсового работа.

 

2. СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ КОНТРОЛЬНО-КУРСОВОЙ РАБОТЫ

 

Объектом курсового работа является собственно СЧПУ, ее компоненты и связи с механическим модулем станка через его электроавтоматику. Работ носит учебный характер и включает в себя следующие этапы:

1. Анализ кинематики станка и обоснование типа и числа управляемых и контролируемых параметров.

2. Уточнение функциональной схему УЧПУ.

3. Разработка блок-схемы алгоритма и программного обеспечения одного из циклов позиционирования.

По результатам курсового работирования в соответствии с требованиями стандартов ЕСКД оформляется пояснительная записка объемом 30-40 страниц рукописного текста.

Задание на контрольно-курсовой работ определяется типом конкретного станка и вектором задания (Р), который равен порядковому номеру студента в общем списке студентов уменьшенному на единицу Р = N - 1 =

где Р = 10n+l,

n = 0,1,¼, 9; l= 0,1,¼, 9 – разряды десятичного числа. Каждый разряд вектора задания, представленного в двоично-десятичной форме, отражает вариант параметров исходных данных.

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

 

Каждому разряду или сочетанию разрядов соответствует свой тип параметров исходных данных.

D0- тип датчика обратной связи:

0- сельсин БС- 155. Цена оборота датчика h= 2 мм/об; величина дискреты D= 0,005 мм.

1- фотоимпульсный датчик типа ВЕ –178. Относительная дискрета = 2500 имп/об,

D1D0- тип интерфейса связи со станком:

0- АЦП;

1- ЦАП;

2- интерфейс связи с электроавтоматикой станка ИЭКА;

3- интерфейс связи с датчиком обратной связи.

D2D0- тип цикла позиционирования:

0- ступенчатый;

1- К₁= К₂ = К₃ =1; U₄ = 4U₁;

2- К₁= 0,5 ,К₂ = К₃ =1; U₄ = 4U₁, U₂ = 2U₁;

3- К₁= К₃ = 0,5 ,К₂ = 1; U₄ = 4U₁, U₂ = 2U₁, U₃ = 3U₁;

D2D1- тип базовой УЧПУ:

0- “ Электроника НЦ-31”;

1- “ Электроника НЦ-80”;

2- УЧПУ 2Р32.

D5- скорость перемещения исполнительного органа;

0- рабочая подача 1,2 м/мин, скорость быстрых ходов 4,8 м/мин;

1- рабочая подача 2,4 м/мин, скорость быстрых ходов 10 м/мин.

D6- величина максимального перемещения: 0- 500 мм, 1- 800мм.

Задание выдается в виде бланка задания, в котором указаны модель станка, тип привода подачи и вспомогательной функции, требующим своей реализации в курсовом работе, код ее равен номеру задания Р. Необходимо реализовать пять вспомогательных М функций на различные типы исполнительных устройств, или фрагмент реализации S и Т – функций по заданию преподавателя.

Для систем с мультиплексированной шиной адрес внешнего устройства принять равным А₈=А_Б+Х₈, где А_Б – начальный адрес, закрепленный за внешними устройствами в данной СЧПУ, а Х₈ = Р₈.

В расчетах принять допущение, что система управления с разомкнутой главной обратной связью описывается передаточной функцией, имеющей первый порядок астатизма

(2.1)

где К- коэффициент усиления системы по одной из координат, 1/c;

Т – постоянная времени системы, с.

С целью сохранения устойчивости и обеспечения колебательного переходного процесса принять:

К=100 + 5n, 1/с; Т=0,5(l+1)×10^-2, c

 

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ

КОНТРОЛЬНО-КУРСОВОЙ РАБОТЫ

 

3.1. Анализ кинематики станка

 

Если в качестве базового предложен какой либо универсальный станок, то необходимо произвести его модернизацию с целью обеспечения управления его от ЧПУ. Если тип приводов подач в задании не соответствует приводам базовой модели, то студент самостоятельно вносит изменения в кинематическую схему.

Во всех случаях необходимо из общих соображений дать обоснование

применения имеющихся приводов подачи и главного движения, если они не

соответствуют заданию, предложить свои типы приводов (мощность, крутящий момент, максимальная скорость, диапазон регулирования, режим работы).

На кинематической схеме необходимо указать все исполнительные органы (приводы смены инструмента, задней бабки, закрепление инструмента, автооператора, электромагнитные муфты переключения скорости привода главного движения и др. по заданию преподавателя), а также все датчики обратной связи с соответствующими кинематическими связями, датчики контроля граничных положений рабочего органа и вспомогательных механизмов, датчики контроля выхода в исходную точку (нулевую) и др. Фрагмент кинематической схемы показан на рис. 3.1.

На основании проведенной работы делается заключение о количестве и типе управляемых и контролируемых параметров, делаются рекомендации по их обработке и формирования. Формируются требования по входам и выходам СЧПУ.

3.2. Функциональная схема СЧПУ

 

В качестве базовой модели СЧПУ в курсовом работе берется одна из известных систем: “Электроника НЦ-31”, “Электроника НЦ-80” (МС2101), 2С32 (2Р32). Их функциональные схемы приведены в [8]. Интерфейсная часть приведенной в работе СЧПУ должна четко отражать вариант задания по:

n количеству ЦАП и АЦП;

n интерфейсу ДОС;

n Количеству входов/выходов интерфейса ЭА.

При этом необходимо определить:

n область ОЗУ;

n закрепить ячейки памяти за соответствующей информацией;

n закрепить выходные каналы ЦАП и АЦП за соответствующими координатами.

Рекомендуется область памяти выделить не для одного или двух кадров программы, а для всей программы. Для обработки корпусной детали (3-х координатная СЧПУ) средней сложности требуется до 300-1000 кадров программы.

 

 

Для записи кода (адреса) команд технологической группы достаточно одной ячейки памяти. Для записи числовой информации после кода этих команд (G, N, M, S) достаточно двух десятичных разрядов.

По адресам координатных перемещений (X, Y, Z) необходимо определить величину максимального перемещения в дискретах

N_max = X_max /D (3.1)

где D - цена одной дискреты, мм;

X_max – максимальное перемещение по координате Х, мм.

При этом рекомендуется брать максимальное число, соответствующие полученному количеству разрядов (например, если N_max = 80000, то необходимо принять = 99999 = 10⁵ - 1)

= 10ⁿ – 1

где n – число разрядов N_max.

При представлении числа необходимо учитывать знаковый разряд, тогда для записи Х_max необходимо n + 1 десятичный разряд, один из которых знаковый.

Емкость одной ячейки памяти – 1 байт двоичной информации. Если принять восьмеричную систему счисления, то в две последовательные ячейки (16 бит) могут быть записаны 5 разрядов восьмеричного числа (16/3 = 5+1/3). Для записи необходимо m ячеек памяти

(3.2)

Стандартный кадр управления программы круговая интерполяция без указания скорости подачи имеет вид:

G02 X + X_max Y + Y_max I + X_max J + X_max (3.3)

и занимает объем

1 + 1 + 1 + + 1 + + 1 + + 1 + = 6 + 4

ячеек памяти. Таким образом, если ввести пересчет управляющей программы через кадры круговой интерполяции, то объем памяти необходимый для ее хранения

V_ОЗУ = (300¼1000)×(6 + 4 )

Например, при X_max = 800 мм, D = 0,01 мм, = 3

V_ОЗУ = 300×18 = 5400 байт =5,4 Кбайт

Необходимо также задать адреса всех периферийных устройств: регистров ЦАП и АЦП, ЭКА и ДОС.

Следует учитывать, что начальная область ПЗУ используется для размещения векторов прерываний и резидентных тестов, в системах с общей шиной адреса периферийных устройств располагаются начиная с адреса 160000₈, данные и адреса представлены в восьмеричной системе. Кроме управления приводами перемещений СЧПУ организует и формирует сигналы управления электроавтоматикой станка. Поэтому необходимо определить входные и выходные сигналы и емкость входных и выходных регистров, учитывая двоично-десятичный формат представления функций.

Отметим некоторые из этих сигналов:

а) для каждой координаты сигналы:

n с конечных выключателей крайних положений рабочего огана;

n с конечных выключателей нулевого положения исполнительных органов;

n с конечных выключателей замедления скорости при подходе к нулевому положению (1 или 2).

б) для привода главного движения:

n с узла фиксации инструмента.

в) общий стоп.

г) готовность станка и др.

Определить максимальное время формирования управляющих импульсов на быстрых ходах рабочего органа

Гц (3.4)

где V_бх – скорость быстрых ходов, м/мин;

f_max – максимальная частота импульсов, поступающих с ДОС в СЧПУ.

Минимальный период выдачи импульсов на выходе ЦАП определяется временем вычислительных операций, выполняемых в соответствии с заданным алгоритмом позиционирования. В предлагаемых заданиях на работ цикла позиционирования число вычислительных операций: логических и арифметических, которые необходимо выполнить, чтобы сформировать выходной сигнал на ЦАП лежит в пределах от 6 до 14 операций (или от 12 до 30 команд)

t_min = W^-1×n

где t_min – время вычислительных операций, с;

W – быстродействие микроЭВМ – СЧПУ, оп/с;

n – число команд по программе, реализующей алгоритм позиционирования (принять =30…40).

Тогда максимальное время формирования управляющего сигнала на выходе ЦАП

t_mах = 1/f_max + К t_min + t_АП, (3.5)

где К – коэффициент, учитывающий несоответствие реальной длительности выполнения операций алгоритма позиционирования длительности операций, используемых для определения W (принять К = 1,5);

t_АП – время задержки в аппаратной части ЦАП или время преобразования(5…20нс).

В реальных системах t_mах на два, три порядка меньше постоянной времени привода подачи или всей системы (Т) и всегда меньше 1/f_max.

 

3.3. Схемы электроавтоматики и подключение СЧПУ к станку

 

Необходимо полностью отразить схему реализации комплекса заданных вспомогательных функций, начиная с выходного разъема СЧПУ, на котором формируется функция и кончая конкретными исполнительными приводами. При этом будем предполагать импульсный способ формирования команд управления электроавтоматикой станка. Для однозначного определения например М – функций примем, что М(n) – функция включения трехфазного асинхронного двигателя (М_i) по часовой стрелке; М(n+1) – против часовой стрелки; М(n+2) – функция выключения двигателя; М(n+3) – функция включения трехфазного асинхронного двигателя (М_i+1); М(n+4) – функция выключения двигателя (М_i+1).

Промежуточная схема дешифрации М – функций должна строиться по известным законам Булевой алгебры. При этом для упрощения задачи предположим, что в станке могут быть использованы всевозможные М – функции, промежуточные реле, включенные на входе СЧПУ имеют неограниченное число групп контактов, отсутствию сигнала М на выходе разъема соответствует “высокий” потенциал (то есть вспомогательное реле обесточено).

Для реализации комплекса функций, например, начиная с KV34 предполагая, что на выходах разъема системы ЧПУ М01, М02, М08, М10, М20, М40, М80 установлены соответствующие реле KV01, KV02 ¼ KV40, KV80. Состояние контактов реле будем характеризовать некоторой функцией X_ij , принимающей значение 1 – контакты замкнуты; 0- контакты разомкнуты. Реле имеет, как нормально разомкнутые контакты X_ij , так и нормально замкнутые .

Таким образом, для реализации функции M34, то есть для включения промежуточного реле KV34 необходимо реализовать зависимость:

(3.6)

Включение нормально разомкнутых контактов реле KV34 – отражает цепь включения самоблокировки, а включение нормально замкнутых контактов реле KV35, KV36 отражает цепь включения функций М35, М36. Аналогичным образом строятся зависимости для управления реле KV35, KV36, KV37, KV38. На основании полученных зависимостей строится схема управления рис. 3.3.

Непременным условием решения задачи работирования схем электроавтоматики станка является формирование сигнала “Готовность станка”. Возможны несколько вариантов его формирования. Они определяются типом СЧПУ, организацией обмена информацией с периферией и т.д. В любом случае сигнал “Готовность станка” содержит информацию о подаче питания на исполнительные устройства: приводы подачи, гидростанцию и другие исполнительные устройства, наличие масла в гидростанции, наличие давления воздуха в пневмосети и т.д., об аварии приводов, готовности ЧПУ, о включении станка и др.

Реализация сигнала “Готовность станка ” с помощью, например реле КV 100 на примере СЧПУ 2С42 показана на рис. 3.7. Контакты реле КV 101, сигнализируют о подаче напряжения на приводы подачи; КV 102 – контакты реле, сигнализируют об отсутствии аварии в приводах; КV 103 – контакты реле, сигнализирующие о готовности СЧПУ; РL1 – контакты датчика уровня масла в гидростанции. Обмотки всех перечисленных реле должны быть обязательно показаны на схеме или указаны в блоках, где они установлены.

Схема подключения СЧПУ должна отражать все ее функциональные возможности не только подвергнутые разработке в работе, но и характерные данному классу систем. На ней необходимо показать выходы управления сменой инструмента Tij, выходы управления скоростью главного движения при бесступенчатом способе управления S и при ступенчатом Sij, выходы вспомогательной функции Мij, если необходимо выход “Готовность ЧПУ”. Количество выходов Tij, Sij, Mij,определяются в процессе работирования. На всех выходах устанавливаются промежуточные реле KV_i. На схеме должны быть показаны выводы подключения всех конечных выключателей и контактных датчиков, входы “Ответ М”, “Ответ Т”, “Ответ S”; “Готовность станка”, а также входы контроля фиксации магазина инструментов

Все входы электроавтоматики станка могут быть выведены через один разъем СЧПУ, все входы через другой. На схеме подключения СЧПУ необходимо указать выходы ЦАП управления приводами подачи, входы датчиков положения рабочего органа станка, датчики резьбонарезания, входы АЦП и др. Выходы ЦАП выводятся через один разъем СЧПУ. Каждый датчик положения связан с СЧПУ через свой разъем. Необходимо помнить, что при использовании электрогидравлического шагового двигателя в приводах подач датчики положения рабочего органа не устанавливаются

Пример схемы подключения СЧПУ показан на рис. 3.4. При работировании принципиальных электрических схем электроавтоматики и подключения СЧПУ необходимо выполнять все требования ЕСКД.

 

 

3.4. Разработка алгоритма и программы цикла позиционирования

 

В общем случае любой цикл позиционирования может быть представлен графиком рис. 3.5. На каждом этапе приближения к точке позиционирования X₀ система формирует одно из возможных управлений U:

При d = X – X₀

(3.6)

для положительной области d > 0 К_N = 1, для отрицательной области

d < 0 К_N = -1,

(3.7)

 

Для случая ступенчатого цикла позиционирования (G60) уравнения (3.7) не имеют силы, а К₁ = К₂ = К₃ = 0. Блок-схема алгоритма позиционирования показана на рис. 3.6. Цикл начинается с расчета текущего значения d = Х – Х₀, после определения знака d формируется значение коэффициента К_N. Далее проводится анализ выполнения условия d > d_i, на основании которого формируется управление

, (3.8)

После выполнения условия d < d₁ , включается подпрограмма формирования сигналов конца обработки кадра КОК. На блок-схеме опущена

подпрограмма задержки t перед формированием сигналов КОК. Аналогичный алгоритм реализуется по координате Y.

Система команд и методы адресации, рассмотренные ниже характерны для УЧПУ на основе ЭВМ “Электроника 60”.

Каждый студент должен составить блок-схему алгоритма и программу для цикла позиционирования, соответствующего его заданию. При этом необходимо выбрать конкретные значения всех параметров. Зона нечувствительности d1, обеспечивающая отсечку различных флуктуаций, равна 1…3 дискреты. Скачок управления U1 равен 1…3 дискретам изменения выходного напряжения ЦАП ( для Д = 10000, U1 = 10…30 мВ, для Д = 10000, U1 =1…3 В.

Для однозначного определения управляющих воздействий примем U2 = 2 В, U3 = 5 В, U4 = 10 В, необходимо их представить в единицах дискрет ЦАП. d2, d3, d4, - определяются инерционностью привода и максимальной скоростью перемещения привода. Будем определять их по зависимости (3.7), учитывая в учебных целях, что Ki` = 10Ki ; Ki – коэффициенты данные в задании на контрольно-курсовой работ [ Ki ] = B/мм.

Для ступенчатого цикла позиционирования примем U1 = 0.5 В b2 = 0.1 мм, b3 = 2b2, b4 = 4b2.