Инициатива станет законом;pdf

4947
УДК 62-50:004.057.8
ПРИНЦИП ОРГАНИЗАЦИИ
УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОАВТОМАТИКОЙ
ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫХ
ОБРАБАТЫВАЮЩИХ ЦЕНТРОВ НА
БАЗЕ ПРОГРАММНОРЕАЛИЗОВАННОГО ЛОГИЧЕСКОГО
КОНТРОЛЛЕРА
Р.А. Нежметдинов
МГТУ «СТАНКИН»
Россия, 127994, Москва, Вадковский пер., 1
E-mail: [email protected]
Л.И. Мартинова
МГТУ «СТАНКИН»
Россия, 127994, Москва, Вадковский пер., 1
E-mail: [email protected]
А.С. Григорьев
МГТУ «СТАНКИН»
Россия, 127994, Москва, Вадковский пер., 1
E-mail: [email protected]
Ключевые слова: высокотехнологичное оборудование, ЧПУ, задачи управления, программируемые логические контроллеры, программно-реализованные контроллеры,
электроавтоматика
Аннотация: Изложена новая тенденция в развитии высокотехнологичного оборудования – станки- наклонной компоновки. Продемонстрировано, как на основе анализа кинематической схемы обрабатывающего центра наклонной компоновки л определяются
ключевые требования к системе ЧПУ и разрабатывается сетевая архитектура системы
ЧПУ. Приведен пример реализации управления электроавтоматикой на базе программно
реализованного контроллера Soft PLC.
1. Введение
Ведущие мировые станкостроительные компании в настоящее время активно продвигают на рынок станки наклонной компоновки, как обладающие повышенной жесткостью и расширенным диапазоном технологических возможностей [1, 2]. Так, в частности, станки наклонной компоновки позволяют обрабатывать детали больших габаритов, использовать мощные инструментальные головки и интенсифицировать режимы
резания без потери качества обработки. Особо эффективна такая конструкция для токарно-фрезерных станков, так как позволяет не только совмещать не только черновые и
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
4948
чистовые переходы, но и разные виды обработки, в том числе и обеспечивающие получение сложнопрофильных поверхностей. Токарно-фрезерные обрабатывающие центры
наклонной компоновки способны выполнять обработку, где наравне с токарными велика доля и фрезерных операций. Управление сложным технологическим оборудованием
такого типа предполагает беспрепятственную интеграцию технологий «ноу-хау» станкостроителей и конечных пользователей в современное оборудование, использование
многофункциональной системы ЧПУ и специализированного программного обеспечения, к которому предъявляются повышенные требования [3, 4]. Система ЧПУ должна
поддерживать нескольких каналов управления, обладать многокоординатной интерполяции (5 и более одновременно интерполируемых осей) и управлять большим количеством вспомогательного электрооборудования.
Такие станки оснащаются высокоскоростными фрезерными шпинделями. В результате потребитель получает возможность оптимизировать технологический процесс
обработки деталей, имеющих сложную геометрию, за счет сокращения маршрута. В
частности, не только обеспечивается высокая точность готовых деталей (за счет исключения переустанова детали при обработке на нескольких станках), но и сокращаются затраты времени на выполнение вспомогательных переходов: снятие заготовки, перемещение заготовки между станками, переустанов заготовки, подготовка технологической оснастки и инструмента, что позволяет увеличить коэффициент загрузки производственного оборудования [5-7].
2. Анализ кинематической схемы обрабатывающего центра
Анализ кинематической схемы станка позволяет определить количество каналов
управления, количество осей, закрепление осей за каналом управления и оптимальные
схемы обработки деталей [8].
На Рис. 1 представлена схема токарно-фрезерного станка вертикальной компоновки, предназначенного для обработки сложных деталей повышеной точности. Кинематическая схема такого станка предполагает наличие основного шпинделя и противошпинеделя с возможностью продольного перемещения (ось Z), продольных (Х1, Х2) и
поперечных (Z1, Z2) осей верхнего и нижнего суппортов и фрезерный шпиндель на
верхнем суппорте. В станке используется инструментальный магазин на 30 инструментов, который управляется как дополнительная ось W1.
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
4949
Рис. 1. Станок наклонной компоновки.
Наличие основного шпинделя и противошпинделя обеспечивает параллельную обработку. При этом две детали, закрепленные в шпинделе и противошпинделе соответственно,могут одновременно обрабатывться инструментами, установленными в нижнем суппорте и во фрезерном шпинделе.
Оба шпинделя имеют интерполируемые оси, что позволяет использовать их не
только для фрезерных, но и для токарных переходов и реализовать схемы обработки
габаритных деталей типа тел вращения одновременно двумя инструментами как с одной стороны, так и с противоположных сторон, что повышает производительность оборудования, а срок эксплуатации резцов повышается за счет компенсации радиальных
составляющих сил резания [9].
3. Реализация управления электроавтоматикой
Логическая задача системы ЧПУ отвечает за реализацию управления электроавтоматикой технологического оборудования. В станке электроавтоматика управляет револьверной головкой верхнего и нижнего суппортов, левым и правым зажимными патронами, станцией охлаждения, гидростанцией, системой охлаждения инструмента,
системой охлаждения станка, транспортером стружки, системой безопасности (управление ограждением и облицовкой), автоматической сменой инструмента, подачей воздуха, освещением станка и др. При реализации логической задачи при управлении
станками, был применен программно реализованный контроллер типа SoftPLC интегрированный в систему ЧПУ. В архитектуре программно реализованного контроллера
можно выделить четыре составляющие: среда программирования, ядро SoftPLC, драйверы связи с внешними устройствами и непосредственно сами физические устройства.
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
4950
Сбор и обмен данными в сети между вычислительными устройствами осуществляется на базе протокола EtherCAT. В связи с большим количеством подключаемого
электрооборудовани, в проекте используется три головных модуля ввода/вывода (баскаплеры). Это позволяет распределить электрическую нагрузку между отдельными
устройствами ввода/вывода. Для передачи сигналов электроавтоматики используются
пассивные электронные модули ввода/вывода данных следующих типов: дискретных
входов (пятнадцать восьми канальных модулей – 120 дискретных входов), дискретных
выходов (шесть восьми канальных модулей – 48 выходов), аналоговых входов (два четырех канальных модуля и один двух канальный модуль, 4…20 мА – 10 входов), входные терминалы термосопротивлений (три двух канальных модуля – 6 входов), аналоговых выходов (два четырехканальных и один одноканальный, 0…10 В – 9 выходов), интерфейс инкрементального энкодера (6 модулей).
Для выполнения технологического процесса на станке реализован ряд вспомогательных М-команд, таких как: включение и выключение транспортера стружки (М50,
М51), зажим и разжим патрона (М21, М22), открытие и закрытие защитного ограждения (М54, М55) и др.
В соответствии с заданной кинематикой и технологическими задачами строится сетевая архитектура системы ЧПУ (
Рис. 2), в состав которой входят: машина реального времени с ядром системы
управления, терминал оператора, подключенный к ядру по протоколу TCP/IP, модули
расширения входов/выходов для подключения электроавтоматики и линейных измерительных устройств, привода главного движения, приводов подач и двигателей подач
(производства «СТАНКИН-NC»), шпинделя и противошпинделя.
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
4951
Рис. 2. Сетевая архитектура системы числового программного управления.
Soft PLC комплектуется средой разработки (
Рис. 3), работающей под управлением ОС Windows. Особенностью среды разработки является возможность работы как с редактором стандарта МЭК 61131, использующим язык функциональных блоков (FB), так и с редактором формул, который задает
логику работы объекта управления посредством системы булевых функций. Жесткая
последовательность выполнения приводит к простой внутренней структуре команд, которая транслируется в быстрый и надежный код.
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
4952
Рис. 3. Среда разработки управляющих программ SoftPLC.
Среда разработки включает в себя: рабочую область, в которой происходит программирование логики системы управления с помощью задания функциональных блоков и связей между ними; панель инструментов, позволяющую произвести компиляцию, отправку в ядро контроллера и запуск программы на выполнение.
При программной реализации систем управления со сложной структурой, требующих работы с элементами задержки времени (таймеры) и счетчиками применяют временные диаграммы (циклограммы) работы. В качестве (
Рис. 4) примера представлен запуск системы со смазочно-охлаждающей жидкостью
(СОЖ) на станке наклонной компоновки, позиция 9 на циклограмме работы станка.
1
СТАРТ
2 СТОП
3 Работа станка
7 ОШИБКА
8 Работа шпинделя
3 сек
9
Включение СОЖ
начало
поз. 1
поз. N
конец
начало
связь инструмента с нулевой позицией
конец
Рис. 4. Фрагмент циклограммы работы станка СА – 700.
Таблица 1 содержит описание сигналов для фрагмента циклограммы включения
СОЖ. Далее раскрыта зависимость функции включения узла СОЖ – .СОЖ от других
функций и сигналов, представленных на циклограмме.
Таблица 1. Сигналы электроавтоматики циклограммы работы СОЖ.
Обозначение сигнала Описание сигнала Сигнал начала работы X СТАРТ XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
4953
X СТОП Сигнал окончания работы Х ОШИБКА Сигнал возникновения ошибки  .СТАНКА Х ШПИНДЕЛЬ
 СОЖ Функция работы станка Сигнал запуска шпинделя Функция запуска системы СОЖ Работа станка начинается после нажатия на кнопку СТАРТ – сигнал Х СТАРТ , при
этом активируется реле с самоподхватом, отвечающее за работу станка – функция
.СТАНКА . При осуществлении формообразования необходимо запустить шпиндель на
станке, сигнал Х ШПИНДЕЛЬ , при активации данного сигнала автоматически должна запустится система подачи СОЖ. При возникновении ошибки при работе оборудования
появляется сигнал Х ОШИБКА , при этом будет отключено вращение шпинделя и подача
СОЖ, после устранения ошибки работа станка продолжится, однако для вращения
шпинделя необходимо будет активировать сигнал Х ШПИНДЕЛЬ . Подача СОЖ прекращается либо при возникновении ошибки, либо через 3 секунды после остановки шпинделя. Задержка в 3 секунды необходима для гарантированного окончания движения формообразования без нагрева детали или инструмента. Программная реализация работы
циклограммы, выполненная в среде разработки Soft PLC представлена на
Рис. 5
Рис. 5. Схема реализации включения СОЖ в среде SoftPLC.
Работу представленной выше схемы и циклограммы целесообразно разделить на
две составляющие: комбинационную и временную. К комбинационной составляющей
будут относиться функции работы станка .СТАНКА и шпинделя .СТАНКА , т.к. их можно
описать комбинационными схемами. Данное описание будет выглядеть в виде системы
функций:
СТАНКА  ( X СТАРТ  СТАНКА) Х ОШИБКА

 ШПИНДЕЛЬ  Х ШПИНДЕЛЬХ ОШИБКА
Временные составляющие системы определим через временные булевы функции.
В этом случае используется дискретное время с различным интервалом дискретизации
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
4954
– секунда, минута, час, год и т.д. Единицу дискретного времени обозначим целыми положительными числами – t ( t  0, 1, 2, ... ).
С помощью ВБФ получим функцию отвечающую за логику работы системы СОЖ:
y  y0t0  y1t1   ШПИНДЕЛЬХ ОШИБКАt0  t1 .
Если объединить данную функцию с функциями, описывающими логику работы
станка и шпинделя, то получим следующую систему описывающую логику работы
представленной циклограммы в части включения станка и подачи СОЖ:
СТАНКА  ( X СТАРТ  СТАНКА ) Х ОШИБКА

.
 ШПИНДЕЛЬ  Х ШПИНДЕЛЬ Х ОШИБКА

 y   ШПИНДЕЛЬ Х ОШИБКАt0  t1
4. Заключение
Создание станков наклонной компоновки – один из путей совершенствования оборудования, относящегося к классу высокотехнологичного. Для реализации предполагаемого спектра технологических возможностей предложена организация управления
электроавтоматикой на базе программно-реализованного логического контроллера типа
SoftPLC, интегрированного в систему ЧПУ. Организован сбор и обмен данными в сети
между вычислительными устройствами с использованием протокола EtherCAT, что позволило подключить большое количество электрооборудования, необходимого для исполнения сложных технологических процессов.
Список литературы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Martinov G.M., Martinova L.I. Trends in the numerical control of machine-tool systems // Russian Engineering Research. 2010. Vol. 30, No. 10. Р. 1041-1045.
Сосонкин В.Л., Мартинов Г.М. Принципы построения систем ЧПУ с открытой архитектурой // Приборы и системы управления. 1996. № 8. С. 18.
Козак Н.В., Мартинова Л.И., Савинов К.А., Дубровин И.А. Построение гетерогенной распределенной компьютерной системы управления для высокотехнологичных децетрализованных производств
на основе WEB-технологий // Мехатроника, автоматизация, управление. 2011. № 11. С. 44-48.
Мартинова Л.И., Козак Н.В., Нежметдинов Р.А., Пушков Р.Л., Обухов А.И. Практические аспекты
применения отечественной многофункциональной системы ЧПУ «АксиОМА Контрол» // Автоматизация в промышленности. 2012. № 5. С. 36-40.
Мартинов Г., Пушков Р.Л., Евстафиева С.В. Основы построения однокомпьютерной системы ЧПУ с
программно реализованным ядром и открытой модульной архитектурой // Вестник МГТУ Станкин.
2008. № 4. С. 82-93.
Мартинова Л.И., Пушков Р.Л., Козак Н.В., Трофимов Е.С. Решение задач синхронизации и точного
позиционирования осей в системе ЧПУ // Автоматизация в промышленности. 2011. № 5. С. 30-35.
Соколов С.В. Специфика реализации мониторинга технологических параметров в системе управления мехатронным оборудованием // Вестник МГТУ «СТАНКИН». 2011. Т. 2, № 4. С. 89-92.
Шемелин В.К., Нежметдинов Р.А. Применение технологии клиент-сервер при проектировании контроллера типа SoftPLC для решения логической задачи в рамках систем ЧПУ //Автоматизация и современные технологии. 2010. № 3. С. 31.
Козак Н.В., Абдуллаев Р.А. Концепция построения средств диагностики и управления устройствами
электроавтоматики на базе OPC технологии // Системы управления и информационные технологии.
2010. Т. 41. № 3. С. 28-32.
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.